Wat er precies gebeurde voor, tijdens en na de oerknal of ‘big bang’ kan niemand met zekerheid zeggen. Metingen van kosmische achtergrondstraling laten zien dat het universum in haar eerste levensfase door een korte periode van sterke, exponentiële groei ging, ofwel kosmische inflatie. Na deze inflatie was het universum koud en leeg. Maar de oerknal had juist hoge temperaturen en veel energie nodig om te kunnen plaatsvinden.

Hoe deze fase van heropwarming en massatoename van het universum heeft kunnen plaatsvinden is nog altijd een puzzel, maar fysicus Wilke van der Schee en zijn collega’s hebben nu een nieuw model ontwikkeld waarmee ze dit proces kunnen simuleren. “We komen zo een stap dichter bij het begrijpen van de aanloop naar de oerknal.”

Eigenschappen van de horizon van een zwart gat 

Met het nieuwe model kunnen de onderzoekers de temperatuur van het vroege universum berekenen aan de hand van de eigenschappen van de horizon van een zwart gat, ook wel de ‘bulk horizon’ genoemd. De kleuren in het model laten zien dat, na de periode van inflatie, het heelal koud en leeg is, en dat de temperatuur en hoeveelheid materie in een korte periode van heropwarming sterk stijgen. Hierna vindt thermalisatie plaats, waarbij de deeltjes tot een evenwicht komen en het geheel weer afkoelt.

Botsingen 

Van der Schee baseerde het model op een soortgelijke thermalisatie, maar dan op veel kleinere schaal. Wanneer loodionen op elkaar botsen in de deeltjesversneller van Cern, ontstaat er voor zeer korte tijd (10-23 seconde) het quark-gluonplasma. Bij de botsingen komt enorm veel energie vrij en ontstaan grote versnellingen en worden als het ware de omstandigheden van het vroege heelal nagebootst. In hun artikel beargumenteren de onderzoekers aan de hand van snaartheorie waarom deze botsingen vergelijkbaar zijn met de formatie van zwarte gaten, maar dan wel onder de voorwaarde dat zo’n zwart gat zich bevindt in een denkbeeldig universum met vijf dimensies.

Holografie 

Ten grondslag aan hun nieuwe model ligt het principe van holografie, een onderdeel van de snaartheorie. In de jaren ’90 kwam de Utrechtse theoretisch-fysicus en Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft met de eerste ideeën rondom het holografisch principe. Het bijzondere aan een hologram is dat alle informatie over een driedimensionaal object kan worden vastgelegd, of geprojecteerd, op een tweedimensionaal oppervlak.

Wanneer je dit principe toepast op de schaal van het universum, betekent dit dat alle informatie over het universum kan worden opgeslagen op het randgebied (de schil) ervan, zonder dat je daadwerkelijk weet wat er aan de binnenkant gebeurt. Met andere woorden, de rand van de ruimte is een platte beschrijving van de hoger-dimensionale binnenkant. Wanneer je informatie over botsingen van loodionen dus opslaat op een (denkbeeldige) vierdimensionale schil, betekent dit dat je ook iets kunt zeggen over de vijfdimensionale binnenkant van dit spektakel.

Wat de onderzoekers vonden toen ze gingen rekenen met de gegevens over de botsingen van loodionen, bleek sterk overeen te komen met wat er gebeurt aan het oppervlak van een vijfdimensionaal zwart gat. Met hun berekeningen laten de onderzoekers zien hoe de kleinste elementaire deeltjes model kunnen staan voor de grootste en zwaarste objecten in het universum, en koppelen ze snaartheorie en kwantumfysica aan elkaar.

Kosmische inflatie 

“Het model is nog niet compleet,” benadrukt Van der Schee. “Er is bijvoorbeeld al veel bekend over de duur van de inflatieperiode, en in ons model is deze eigenlijk te kort.” Maar het model geeft wel een andere, nieuwe benadering dan eerdere modellen van kosmische inflatie. Van der Schee: “Het is een eerste stap richting een compleet model dat kan laten zien waar de materie in ons universum eigenlijk vandaan komt.”

Door: Nationale Onderwijsgids