Het heelal zelf heeft mogelijk de eerste sterrenstelsels gecreëerd: einde van inflatontheorie?

Ooit zijn de eerste sterren en planeten ontstaan in de ruimte. Hoe? Daar hebben onderzoekers nu een nieuw idee over: mogelijk is de kiem gelegd door zwaartekrachtgolven die rondbewogen in het jonge heelal.

Kosmologen gaan ervan uit dat het extreem vroege heelal een periode van uitzonderlijk snelle groei heeft doorgemaakt. Direct na de oerknal dijde het heelal in een fractie van een seconde met een factor duizend uit. Dit wordt de kosmische inflatie genoemd. De motor achter deze gebeurtenis zou het inflaton zijn, een voorlopig nog hypothetisch kwantumveld dat in werking trad, de inflatie aanjaagde en vervolgens weer verdween (lees er onderaan meer over).

Kosmische inflatie
Inflatie zorgde er niet alleen voor dat het heelal enorm groot werd, het legde ook de kiem voor de eerste structuren. Het deed dat door het kwantumschuim te nemen, de subatomaire fluctuaties in ruimtetijd zelf, en dat samen met al het andere uit te breiden. Kwantumschuim is eigenlijk het idee dat ruimtetijd op extreem kleine schalen niet glad en continu is, zoals we die normaal ervaren, maar eerder een chaotisch en dynamisch ‘schuim’ van kwantumfluctuatie. Langzaam, na verloop van tijd, namen deze fluctuaties toe en groeiden honderden miljoenen jaren later uit tot de eerste sterren en sterrenstelsels, wat uiteindelijk leidde tot de grootste structuur in het universum, het kosmische web (een gigantisch web van materie dat dwars door het hele heelal lijkt te lopen).

Maar er blijven mysteries. We weten niet wat het inflaton is, wat het aandreef of waarom het weer verdween. En we hebben geen sluitend bewijs dat de kosmische inflatie überhaupt echt heeft plaatsgevonden.

Alternatieven
Onderzoekers zijn dus altijd op zoek naar alternatieve theorieën, vooral naar alternatieven die geen beroep doen op een nieuw en mysterieus ingrediënt, zoals het inflaton. En dat is precies waar een team van astrofysici onlangs mee kwam aanzetten: een model waarin inflatie plaatsvindt en uiteindelijk sterrenstelsels ontstaan, maar dan zonder inflaton. Volgens het model dijt het heelal steeds sneller uit, net zoals het hedendaagse heelal dat doet. Maar in dat uitdijende heelal laat het kwantumschuim zwaartekrachtgolven los. Die rimpelingen in de ruimte verspreiden zich naar buiten, botsen op elkaar en versterken zichzelf.

Meestal kunnen zwaartekrachtgolven zelf geen structuren creëren, maar de onderzoekers ontdekten dat in bepaalde speciale gevallen de golven elkaar op precies de juiste manier kunnen versterken. Als dat gebeurt, zijn de afdrukken die ze in de ruimte maken bijna hetzelfde op allerlei lengteschalen.

Vage afdruk
Dit is precies wat kosmologen waarnemen in de kosmische achtergrondstraling, het overgebleven licht van het vroege heelal. Deze straling bevat een vage afdruk van de echo’s van de inflatie en laat zien dat wat de kiem voor structuur ook was, het wel zo’n patroon moet hebben.

Er zijn echter wel kleine verschillen tussen de soorten structuren die ontstaan in dit inflatie-zonder-inflaton-scenario en de traditionele inflatie. In dit eerste artikel hebben de onderzoekers nog niet berekend hoe groot die verschillen zijn, maar een belangrijke volgende stap is om de observationele gevolgen van dit model te onderzoeken en te zien of het de moeite waard is om er verder naar te kijken.

Het inflaton
Het inflaton is een hypothetisch deeltje dat in de kosmologie wordt voorgesteld als de drijvende kracht achter de inflatieperiode in het vroege universum. Inflatie is een theorie die stelt dat het universum in de allereerste fractie van een seconde na de oerknal exponentieel snel is uitgedijd. Het inflaton speelt een cruciale rol bij het verklaren van hoe en waarom deze inflatie plaatsvond.

Het wordt beschreven als een kwantumveld, genaamd het inflatonveld. De energiedichtheid van dit veld veroorzaakte een gigantische negatieve druk, wat leidde tot de snelle expansie van het universum. Terwijl het inflatonveld “naar beneden rolde”, eindigde de inflatie en werd de energie van het inflaton omgezet in deeltjes en straling, wat leidde tot het ontstaan van het hete, dichte universum dat we vandaag waarnemen. Kleine fluctuaties in het inflatonveld tijdens de inflatie zouden de kiem hebben gevormd voor de structuurvorming in het universum, zoals sterrenstelsels en clusters.
Maar hoewel het inflaton een mooi idee is binnen de inflatietheorie, is het bestaan ervan nog niet bewezen. De zoektocht naar het inflaton en zijn eigenschappen is een belangrijk onderwerp in de theoretische fysica en kosmologie, net als de zoektocht naar andere alternatieven.

Bronmateriaal

"Inflation without an Inflaton" - arXiv
Afbeelding bovenaan dit artikel: Daniel Cid / Pexels

Fout gevonden?

Interessant voor jou

Voor jou geselecteerd