Dirk Drubbel: Het Heelal (deel 2 : de Big Bang)

Het vak geschiedenis heeft voor mij altijd meer betekend dan een verslag over veroveringen, volksverhuizingen, oorlogen of omwentelingen . De evolutie van de Australopithecus afarensis tot de Homo habilis en de Homo sapiens hoorde ook bij het vak. De meest extreme vorm van terugblikken is evenwel het bestuderen van het ontstaan van het heelal. Dit proces - de Big Bang - wil ik op een overzichtelijke en begrijpklare manier samenvatten.

Het Heelal - index
http://dirkdrubbel.blogspot.be/2012/03/het-heelal-index.html

Inleiding

Aanvankelijk was de wetenschappelijke wereld verdeeld met aanhangers voor twee modellen : Het `` Steady State Model `` van Fred Hoyle en de `` Big Bang Theory`` van Lemaitre - Gamow .Het was na de ontdekking van de CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation) dat het laatste model als het meest aanvaardbare werd genoemd.
Grote vooruitgang in de inzichten over de Big Bang werd geboekt dank zij de gegevens verkregen door de sattelieten COBE (Cosmic Background Explorer) gelanceerd in 1989 door de NASA en de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) in 2001 eveneens door de NASA gelanceerd.

http://wmap.gsfc.nasa.gov/

COBE

WMAP

Background Microwave Radiation

In 2009 lanceerde de ESA de satteliet Planck voor verder onderzoek in de ruimte.

Planck satteliet

Enkele begrippen

Roodverschuiving (Redshift) is in de Astrononie het verschijnsel dat een door een stralingsbron uitgezonden electomagnetische straling bij ontvangst is verschoven in de richting van langere golflengte.Dit fenomeen is het gevolg van het Doppler-effect en wijst op de verwijdering van de stralingsbron.

Edwin Hubble legde het verband tussen de roodverschuiving en de afstand tot de aarde. Vogens de wet van Hubble verwijderen sterrenstelsels zich van elkaar, met een snelhied die evenredig is met hun onderlinge afstand.

           v = H.r
         V = snelheid van uitdijen      r = onderlinge afstand
           H =Hubble constante (71 km/sec Mpc)
         Mpc = 3.260.000 lichtjaar

De dichtheid (d) en de temperatuur (T) van het heelal nemen af met de tijd
De ruimte van het heelal neemt toe met de tijd.
De stralingsenergie en frequentie neemt af als de temperatuur daalt, m.a.w met de tijd.

         h.v = k.T
       h = constante van Planck   v = frequentie van de staling
           k = constante van Boltzmann   T = temperatuur
           hv = stralingsenergie

Scenario

Volgens de Big Bang theorie van Lemaitre-Gamow ontstond het heelal 13,75 miljard jaar geleden uit een soort explosie van een oer-singulariteit met een onvoorstelbare energie. Bij die explosie ontstonden materie, tijd en een ruimte die voortdurend verder uitdijde.

GUT periode :

<10^-43 sec

- De 4 fundamentele krachten zijn verenigd in 1 kracht

PLANCK tijd :

10^-43 sec 10³²K 10¹⁹GeV

- De zwaartegracht (gravity) differentieert zich .

Electroweak periode :
10^-36 sec 10²⁸K 10¹⁴GeV
- De Sterke kracht (Strong Force) differentieert zich van de Electroweak force.
- Ondanks het feit dat de Sterke kracht zich gedifferentieerd heeft, is de energie van de deeltjes (h.v = k.T) nog te hoog om baryonen en mesonen te vormen.Er worden wel quarks en antiquarks gevormd.

Inflatie periode : ( Inflationary period)
10^-36 sec tot 10^-32 sec
- Tijdens die periode neemt het heelal exponentieel toe, met een factor 10⁵⁰
- Op het einde van de periode bestaat de energie van het universum hoofdzakelijk uit fotonen.
- De energie is nog te hoog opdat de quarks zich zouden verbinden.Het heelal bestaat uit een quark - gluon plasma.

- De exponentiële expansie maakte het universum vlak en creëerde alzo een smalle zone die de gelijkmatige verdeling van materie en straling bevorderde.
- Het mechanisme dat de inflatie op gang bracht is een nog te beschrijven inflatieveld.
- Een van de modellen is dat er na het loskoppelen van de Strong force er een faseovergang plaats vond, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkwam onder de vorm van straling en materie (quarks & antiquarks) en een afstotingskracht ontwikkelde die de expansie voortstuwde.
( Is de energie die vrijkwam te vergelijken met de latente warmte bij faseovergang van vloeibaar naar vast ?)

De inflationary epoch zorgt voor een verklaring voor het horizon problem en het flatness problem

www.pbs.org/wnet/hawking/universes/html/infla.html
www.wmap.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html
http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Liddle/Liddle_contents.html
http://universe-review.ca/R02-13-inflation.htm#theory
http://en.wikipedia.org/wiki/Inflationary_epoch

********************************************************************************
Horizon problem

In dit voorbeeld gaat men ervanuit dat
het heelal 15 milj,lj. oud is

- Metingen uitgevoerd met de sattelieten COBE en WMAP hebben aangetoond dat de CMBR in het heelal, in alle richtingen behoorlijk homogeen is en ligt bij 2,725 K.
Nochtans liggen twee tegenovergestelde punten in het heelal 2 x 13,7 miljard lj van elkaar verwijderd m.a.w er is in het tijdsbestek van 13,7 milj.lj geen uitwisseling van informatie geweest .
(uitwisseling in de zin van bv. warmte die stroomt van warm naar koud en daardoor de warmte uitvlakt) Men gaat ervan uit dat vlak voor de inflatie de uitwisseling van informatie gebeurde.
http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Liddle/Liddle3_2.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Horizon_problem

Flatness problem

Het heelal is ogenschijnlijk vlak m.a.w. het heeft een densiteit (Ω) = ± 1 (kritische densiteit)
Een Ω >1 duidt op een overschot aan materie en zou betekenen dat het heelal uiteindelijk onder invloed van de zwaartekracht zal ineenklappen tot een singulariteit ? ( big crunch), waarna alles terug opnieuw begint (big bounce)
Een Ω <1 duidt op een tekort aan materie en zou betekenen dat de zwaartekracht de expansie niet kan tegenhouden en het heelal eeuwig uitdijt tot er enkel een gas overblijft bij ± 0 K. (big chill). Nog een stap verder zou het uiteenrukken van atomen zijn in elementaire deeltjes. (big rip)
http://www.eddyechternach.nl/artikelen/uitdijing.html
http://www.eddyechternach.nl/artikelen/heelal.html
http://www.wetenschap24.nl/nieuws/artikelen/2011/oktober/Nobelprijs-Natuurkunde-2011.html

Evolutie van dichtheid in de tijd

Vermits er na 13,7 miljard jaar het heelal nog steeds bestaat wijst erop dat van bij het beginn Ω = ± 1.
Dit vindt zijn verklaring in de inflatietheorie, waarbij de exponentiële expansie ervoor zorgde dat het heelal heel snel vlak werd en de densiteit van vóór de inflatie uitvlakte.

De gekende materie is veel te laag om een densiteit Ω = 1 te bekomen . De dark matter zorgt ervoor dat Ω = 1 Dark matter is de materie die geen straling uitzendt, maar waarvan het bestaan afgeleid wordt uit een merkbaar gravitatieffect op zichtbare materie.

Dark energy is hypothetische energie die ervoor zorgt dat het heelal verder uitdijt.

http://archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/Cosmos/FlatnessProblem.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Flatness_problem
http://www.universaltheory.org/FlatnessProblem.html
*********************************************************************************

Quark - antiquark periode :

10^-32 sec tot 10^-5 sec

- Een periode gekenmerkt door een overvloed aan quarks, antiquarks en gluons

10^-12 sec 10¹⁵K 100GeV

- De elctromagnetische kracht (electromagnetic force)en de zwakke kracht (weak force) differentiëren zich m.a.w. de 4 krachten die we vandaag kennen zijn een feit.

QUARK binding :

10^-6 sec 10¹³K 1GeV

- De energie is voldoende gedaald opdat de quarks zich kunnen verbinden tot baryonen (o.a. protonen en neutronen) en mesonen.
- Alle bestaande deeltjes zijn voorhanden, maar de temperatuur is te hoog om nuclei te vormen.

0,02 sec 10¹¹K 8,6 MeV
- Fotonen overheersen
- Electronen en positronen worden gevormd door pair- production en vernietigen elkaar door annihilatie.

Pair production

Annihilatie

- Vrije Neutronen vervallen tot protonen en terug.

Neutron decay

0.11 sec         3.10¹⁰K        2,6 MeV
- Door neutronenverval komt er stilaan een overschot aan protonen (62%) over neutronen(38%)

1.09 sec         10¹⁰K         860 KeV
- Het heelal wordt transparant voor neutrino´s, die vooral gevormd worden tijdens het neutronenverval.
- Er worden meer electronen en positronen geannihileerd dan er ontstaan door pair production.

13.8 sec        3.10⁹K          260 KeV
- Electronen en positronen verminderen snel.
- De temperatuur is te hoog opdat neutronen en protonen zich zouden verbinden tot Deuterium (²H) .

3 min 2 sec    10⁹K            86 KeV
- Electronen en positronen zijn bijna volledig geannihileerd.
- Fotonen en neutrino´s zijn de voornaamste energiedragers.
- Neutronenverval zorgt voor 86% protonen en 14% neutronen.

3 min 46 sec     0,9.10⁹K     78 KeV
- Deuterium-kernen (²H), een isotoop van waterstof (H) en Helium-kernen (He) worden gevormd.
(²H) = 1 proton & 1 neutron       (He) = 2 protonen & 2 neutronen

34 min 40 sec    3. 10⁸K       26 KeV

- Neutronenverval stopt nu de neutronen zich verbinden met protonen en nuclei (kernen) vormen.

- Het vormen van kernen stopt omdat bij deze temperatuur geen stabiele kernen met meer dan 4 nucleonen kunnen bestaan.
- Van bij de vorming van electronen was er een overmaat van 1 op10⁹ aan electronen over positronen.

3,8.10⁵jaar        3.10³K        0.26 eV
- De ²H en de He kernen vangen electronen en vormen stabiele atomen.
- Het heelal bestaat niet meer uitsluitend uit een geïoniseerd plasma waardoor niet meer alle golflengtes geabsorbeerd worden en het heelal doorlaatbaar wordt voor licht
- Dit licht, ondertussen afgekoeld tot 2,73 K, wordt nu waargenomen als CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation)

De eerste steen is gelegd voor de verdere opbouw van het heelal met de vorming van sterren en sterrenstelsels.
Dit is een verhaal voor een volgende blog.