Vladi333/Shutterstock

Net als de al lang bestaande vraag naar wat er buiten de waarneembare kosmos ligt, blijft het onderzoek naar wat er vóór de oerknal bestond – het moment dat 13,8 miljard jaar geleden de geboorte van ruimte, tijd en materie markeerde – een van de meest diepgaande mysteries in de moderne natuurkunde. In een lezing uit 2017 benadrukte de bekende theoretisch natuurkundige DavidTong dat de term ‘BigBang’ een verkeerde benaming is, omdat deze het beeld weergeeft van een simpele explosie, terwijl we in feite geen empirische kennis hebben van wat aan de singulariteit voorafging.

De kern van deze puzzel is de singulariteit zelf:een punt waar alle massa en energie van het universum zouden worden samengeperst tot een oneindig klein volume, resulterend in een oneindige dichtheid en een ruimtelijke omvang van nul. Hoewel de singulariteit ook een kenmerk is van het interieur van zwarte gaten, zijn de exacte omstandigheden die aanleiding gaven tot het uitdijen van het heelal nog steeds onbekend.

De afgelopen decennia heeft een handvol hypothesen geprobeerd deze leemte op te vullen. In 2008 suggereerde analyse van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) – de zwakke nagloed van de BigBang – dat primordiale temperatuurschommelingen zouden kunnen wijzen op een ‘bubbel’ die afkomstig is uit een reeds bestaand universum. Een artikel uit 2018 in Physical Review Letters van LathamBoyle, KieranFinn en NeilTurok brachten het idee naar voren van een gespiegeld, tegendraads universum dat bestond vóór de oerknal. Recenter onderzoek heeft zelfs een vluchtig interval geponeerd tussen de singulariteit en de BigBang, waarin het universum een uitbarsting van snelle expansie onderging die de donkere materie zou kunnen genereren die we vandaag de dag waarnemen.

Wat kwam er vóór de oerknal?

ArtsiomP/Shutterstock

Hoewel we de toestand van de kosmos op het moment van zijn geboorte nog niet kunnen vaststellen, geeft de kosmologie een opmerkelijk nauwkeurig beeld van de vroege momenten van het universum. Door de uitdijingssnelheid te meten en naar achteren te extrapoleren, concluderen we dat het universum ooit gecondenseerd was tot een singulariteit:een toestand van oneindige dichtheid en temperatuur. De temperatuur ten tijde van de BigBang wordt geschat op 1,8×10³²°F (10²⁶K), een cijfer dat de extreme omstandigheden van toen onderstreept.

Hoe kon er dan iets bestaan dat al bestond uit een universum dat zogenaamd met een singulariteit begon? Het antwoord ligt in de evolutie van het BigBang-framework zelf. Het standaardmodel beschrijft een snelle inflatoire fase – een fractie van een seconde waarin het universum sneller uitdijde dan het licht – onmiddellijk na de singulariteit. Recente theoretische ontwikkelingen suggereren dat dit tijdperk van inflatie op zichzelf een overgang kan zijn van een eerdere fase, die een venster biedt op de wereld van vóór de BigBang.

Kosmische inflatie en een tijdperk vóór de oerknal

Triff/Shutterstock

Kosmische inflatie werd voor het eerst verwoord in het begin van de jaren tachtig door AlanGuth, AlexeiStarobinsky, AndreiLinde en KatsuhikoSato. De theorie stelt dat er vóór de canonieke BigBang een korte, exponentiële expansie plaatsvond, waardoor de geometrie van het universum werd gladgestreken en de subtiele anisotropieën die we nu in de CMB waarnemen, werden ingeprent. Bewijs voor superhorizonfluctuaties – temperatuurvariaties die de causale horizon overschrijden – ondersteunt het bestaan van een dergelijke pre-BigBang-inflatoire fase, aangezien deze niet alleen door de standaard post-inflatoire fysica kan worden geproduceerd.

Deze inzichten vormen de basis voor de vraag of exotische vormen van materie, zoals donkere materie, tijdens dit interval kunnen zijn ontstaan.

Donkere materie als overblijfsel van vóór de BigBang

ArtsiomP/Shutterstock

Donkere materie maakt grofweg 85% uit van de totale massa van het universum, maar ontgaat directe detectie omdat het geen elektromagnetische straling uitzendt of absorbeert. De invloed van de zwaartekracht is echter duidelijk zichtbaar in galactische rotatiecurven en grootschalige structuurvorming.

In een onderzoek uit 2024, gepubliceerd in Physical Review Letters KatherineFreese, GabrieleMontefalcone en BarmakShamsEsHaghi van de Universiteit van Texas, Austin, introduceerden het ‘warme inflatie via ultraviolet bevriezen’-model (WIFI). Dit raamwerk veronderstelt dat donkere materie werd geproduceerd tijdens het inflatietijdperk zelf, door minieme interacties tussen het inflatonveld en een thermaal bad dat werd gegenereerd door het verval van het inflaton in straling.

Freese legde in een persbericht uit:"In de meeste modellen wordt elk deeltje dat tijdens de inflatie ontstaat, verdund door de exponentiële expansie. Het WIFI-mechanisme maakt het echter mogelijk dat donkere materie ter plekke wordt gegenereerd en de inflatoire verdunning overleeft."

Implicaties van het WIFI-model

Kwaliteit StockArts/Shutterstock

Hoewel het WIFI-scenario wiskundig ingewikkeld is, biedt het een overtuigend verhaal:donkere materie had kunnen ontstaan in de hitte van het vroege heelal, vlak voor de oerknal, en zou tot op de dag van vandaag voortduren. Bovendien voorspelt het model een efficiëntie in de productie van donkere materie die de conventionele bevriezingsmechanismen overtreft, waardoor mogelijk de spanningen tussen de waargenomen dichtheid van donkere materie en de verwachtingen van de deeltjesfysica worden opgelost.

“Naast donkere materie suggereert WIFI een bredere toepasbaarheid op het genereren van andere relikwiedeeltjes die mogelijk een cruciale rol hebben gespeeld bij het vormgeven van het vroege universum”, aldus ShamsEsHaghi. “Deze inzichten openen nieuwe wegen voor zowel theoretisch onderzoek als experimenteel onderzoek.”

Naarmate het onderzoek vordert, kunnen toekomstige waarnemingen – zoals die van de James Webb Ruimtetelescoop en CMB-experimenten van de volgende generatie – de gegevens opleveren die nodig zijn om de WIFI-hypothese te bevestigen of te weerleggen, waardoor mogelijk ons begrip van de eerste momenten van het universum kan worden herschreven.