Oerknal

Singulariteit

Deur ekstrapolasie, of ’n terugwaartse redenering, met behulp van die algemene relatiwiteitsteorie kan ’n mens aflei die heelal was eens gekonsentreer in ’n punt met ’n oneindige digtheid en temperatuur. Gebaseer op metings van die uitbreiding van tipe 1a-supernovas, van temperatuurwisselings in die kosmiese agtergrondstraling en van die verbandfunksie van sterrestelsels, het die heelal ’n geraamde leeftyd van 13,772 ± 0,059 miljard jaar – volgens nuwe berekeninge in 2013 is dit 13,798 ± 0,037 miljard jaar.

Uitbreiding

Die eerste fases van die oerknal is die onderwerp van vele spekulasies. In die meeste modelle was die heelal gevul met ’n ontsettend hoë digtheid en ’n enorme temperatuur en druk, en dit het vinnig uitgebrei en afgekoel. Ongeveer 10^-37 sekondes in die uitbreiding in het ’n stadiumoorgang ’n kosmiese uitbreiding tot gevolg gehad en die heelal het eksponensieel gegroei. Nadat die uitbreiding geëindig het, het die heelal bestaan uit sowel ’n kwark-gluon-plasma as ander elementêre deeltjies. Temperature was so hoog dat die willekeurige beweging van deeltjies ’n relatiwistiese snelheid bereik het, en deeltjie-antideeltjie-pare van allerlei soorte is voortdurend geskep en in botsings vernietig. Op die een of ander tydstip het ’n onbekende reaksie ’n asimmetrie veroorsaak in die bariongetal, en dit het gelei tot ’n effense oormaat van kwarke en leptone teenoor antikwarke en antileptone – sowat 1 oormatige deeltjie per 30 miljoen. Dit het gelei tot die oorheersing van materie oor antimaterie in die huidige heelal.

Afkoeling

Die digtheid en temperatuur van die heelal het bly afneem en daarom het die tipiese energie van elke deeltjie ook afgeneem. Simmetriebrekende stadiumoorgange het die basiese natuurkragte en die parameters van elementêre deeltjies in hul huidige vorm tot gevolg gehad. Ná 10^-11 sekondes word die oerknal minder spekulatief aangesien die energieë van deeltjies verlaag het tot waardes wat in eksperimente in deeltjiefisika waargeneem kan word. Op ongeveer 10^-6 sekondes het kwarke en gluone gekombineer om barione te vorm soos protone en neutrone. Die klein oormaat van kwarke teenoor antikwarke het gelei tot ’n klein oormaat van barione teenoor antibarione. Die temperatuur was nou nie meer hoog genoeg om nuwe proton-antiproton-pare te vorm nie (dieselfde geld vir neutrone-antineutrone), dus het daar skielik ’n massavernietiging plaasgevind wat net 1 uit 10¹⁰ van die oorspronklike protone en neutrone oorgelaat het, en geen van hul antideeltjies nie. ’n Soortgelyke proses het by 1 sekonde plaasgevind vir elektrone en positrone. Ná hierdie vernietiging het die oorgeblewe protone, neutrone en elektrone nie meer teen ’n relatiwistiese snelheid beweeg nie en is die energiedigtheid van die heelal oorheers deur fotone (met ’n klein groep neutrino's).

’n Paar minute in die uitbreiding in, toe die temperatuur ongeveer 1 miljard kelvin was en die digtheid ongeveer soos dié van lug, het neutrino's met protone gekombineer om die heelal se deuterium- en heliumatoomkerns te vorm in ’n proses wat oerknal-nukleosintese genoem word. Die meeste protone het ongepaard gebly as waterstofkerns. Namate die heelal afgekoel het, het die rusmassa-energiedigtheid van materie begin om die straling gravitasioneel te oorheers. Ná sowat 379 000 jaar het die elektrone en kerns gekombineer om atome (meestal waterstof) te vorm; sodoende het die straling ontkoppel geraak van materie en grotendeels ongehinderd verder deur die ruimte beweeg. Hierdie straling staan bekend as die kosmiese agtergrondstraling.

Struktuurvorming

Oor ’n lang tyd het die ietwat digter gebiede van die feitlik reëlmatig verspreide materie, nabygeleë materie aangetrek en so nog digter geword. Dit het gelei tot die vorming van gaswolke, sterre, sterrestelsels en andere astronomiese strukture wat vandag waargeneem kan word. Die detail van die proses hang af van die hoeveelheid en soort materie in die heelal. Die vier moontlike soorte materie staan bekend as koue donker, warm donker, hete donker en barioniese materie.

Kosmiese versnelling

Bewyse bestaan dat die heelal vandag oorheers word deur ’n geheimsinnige vorm van energie wat bekend staan as donker energie, wat waarskynlik deur die hele ruimte voorkom. Waarnemings voorspel dat 74% van die totale energiedigtheid van die hedendaagse heelal in hierdie vorm voorkom. Toe die heelal nog baie jonk was, was dit moontlik deurdrenk met donker energie, maar met minder ruimte en alles nader aanmekaar, het swaartekrag die oorhand gehad en langsamerhand die spoed van die heelal se uitdying laat afneem. Maar uiteindelik, ná verskeie miljarde jare van uitdying, het die groeiende oorvloed van donkere energie meegebring dat die uitdying weer langsamerhand versnel het.

Die samestelling en werking van donker materie is onbekend, asook die verband daarvan met die standaardmodel van deeltjiefisika.

Al hierdie kosmiese verskynsels ná die uitdyingstydperk kan beskryf word deur die Lambda-CDM-model, wat die onafhanklike terreine van kwantummeganika en Einstein se algemene relatiwiteit gebruik. Daar is egter geen model om die gebeure voor ongeveer 10^-15 sekondes te verklaar nie. Klaarblyklik is ’n nuwe teorie van kwantumswaartekrag nodig om deur dié grens te breek. ’n Begrip van dié vroegste fase van die geskiedenis van die heelal is tans een van die grootste onopgeloste probleme in natuurkunde.

Voordat die teorie van die oerknal geformuleer is, het die meeste mense geglo die heelal is staties; met ander woorde dit het altyd, en sal altyd, bestaan. Volgens die swaartekragwet van Isaac Newton sou só ’n heelal egter ineenstort. Newton het hierdie probleem erken, maar probeer om die algemene veronderstelling te behou deur in ’n briefwisseling met Richard Bentley te sê as die materie in die heelal gelykmatig in ’n oneindige ruimte versprei is, sou daar geen middelpunt wees waarheen alle materie sou kon instort nie.

Albert Einstein het ook gemeen die heelal is staties, maar uit sy algemene relatiwiteitsteorie blyk onomstootlik dat die heelal óf moet uitdy óf moet ineenstort. Hy het toe veronderstel dat ’n kosmologiese konstante die ineenstorting teenwerk.

Daarteenoor het mense soos die Nederlandse sterrekundige Willem de Sitter, die Rus Alexander Friedmann en die Belg Georges Lemaître geglo die heelal is wel aan die uitdy.

Aan die begin van die 20ste eeu het wetenskaplikes begin om die spektrums van sterrestelsels te meet. Hulle het opgemerk:

• Slegs enkele nabygeleë stelsels soos die Andromeda-sterrestelsel, het ’n blouverskuiwing.
• Alle ander sterrestelsels het ’n rooiverskuiwing.
• Die rooiverskuiwing neem toe namate die stelsel verder weg van die aarde is. Dit is deur Edwin Hubble beskryf in ’n artikel wat in 1929 gepubliseer is. Met die Wet van Hubble kan die uitdysnelheid van sterrestelsels bereken word.

Dit het aanleiding gegee tot die teorie van die oerknal. In die verre verlede was die sterrestelsels dus nie net nader aan mekaar geleë nie, maar die uitdying van die heelal het met ’n geweldige ontploffing begin. Die eerste teorie daaroor is in 1931 deur Lemaître geformuleer. Hy het vorendag gekom met ’n taamlik korrekte voorspelling van die oomblik waarop die heelal sou ontstaan het: ongeveer 15 miljard jaar gelede.

In 1948 is die "warm oerknalteorie" deur George Gamow saam met Ralph Alpher en Robert Herman geformuleer. Die teorie beskryf hoe die heelal ontstaan het uit ’n warm, puntvormige begin (singulariteit).

Die teorie beskryf noukeurig watter elemente ná 1 sekonde gevorm het en in watter verhoudings. Alpher en Herman het verder voorspel dat die straling van die oerknal nou nog aanwesig sou moes wees. Hierdie kosmiese agtergrondstraling is in 1964 deur Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson ontdek.

• Astrofisika
• Heelal
• Kosmogonie
• Kosmologie
• Sin van die lewe

•   Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Oerknal.
•   Hierdie artikel is vertaal uit die Nederlandse Wikipedia