Decennia lang is de oerknal de hoeksteen van de moderne kosmologie geweest: een moment waarop het universum vanuit een oneindig dicht punt tot bestaan explodeerde. Maar wat gebeurde er vóór dat moment? De vraag leek ooit zinloos, maar recente doorbraken in de numerieke relativiteitstheorie – een computationele benadering voor het oplossen van de notoir complexe vergelijkingen van Einstein – onthullen dat de vroegste geschiedenis van het universum veel vreemder kan zijn dan eerder werd gedacht. Wetenschappers krijgen nu een glimp van het potentieel van reeds bestaande universums, botsende realiteiten en zelfs de mogelijkheid dat de oerknal geen begin was, maar een transitie.
De kosmos terugspoelen: de doorbraak van de numerieke relativiteit
De kernuitdaging ligt in het feit dat de vergelijkingen die de zwaartekracht beschrijven, niet werken bij extreme dichtheden. Natuurkundigen hebben lang geprobeerd dit probleem te omzeilen door benaderingen te gebruiken, omstandigheden in supercomputers te pluggen en deze simulaties te laten uitvoeren. Het gaat hier niet om het vinden van exacte oplossingen; het gaat erom betekenisvolle inzichten uit ruwe schattingen te halen. Zoals Eugene Lim van King’s College London uitlegt, onthult dit vakgebied nu antwoorden op vragen die ooit als onbeantwoordbaar werden beschouwd.
De kracht van deze aanpak kwam voort uit de zwaartekrachtgolfastronomie. Na decennia van theorie hebben wetenschappers in 2016 eindelijk rimpelingen in de ruimtetijd waargenomen. Dat succes moedigde onderzoekers aan om dezelfde technieken toe te passen op het veel moeilijkere probleem van het vroege universum, door modellen op ‘death star’-niveau te bouwen om omstandigheden rond de oerknal te simuleren.
De inflatiepuzzel en de argumenten voor stuiterende universums
Een van de leidende theorieën over wat er vóór de hete, dichte fase van het vroege heelal gebeurde, is inflatie : een periode van exponentiële expansie die aanvankelijke onregelmatigheden heeft gladgestreken. De inflatie is echter afhankelijk van een hypothetisch veld – het ‘inflaton’ – met slecht begrepen eigenschappen. Simulaties laten nu zien dat bepaalde configuraties van dit veld waarschijnlijker inflatie veroorzaken dan andere, waardoor er spanning ontstaat met waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB).
Deze onzekerheid heeft de deur geopend voor alternatieve modellen, waaronder de hypothese van het ‘stuiterende universum’. In plaats van te exploderen vanuit een singulariteit, kan het heelal zijn samengetrokken vanuit een eerdere toestand voordat het weer terugkaatste. De numerieke relativiteitstheorie ondersteunt dit idee en laat zien dat krimp onregelmatigheden net zo effectief kan wegwerken als inflatie, en mogelijk de problematische singulariteit helemaal kan vermijden. Recente gegevens suggereren zelfs dat de uitdijing van het heelal vertraagt, waardoor een toekomstige inkrimping plausibeler wordt.
Bewijs van botsende universums?
Misschien wel de meest radicale implicatie van deze simulaties is de mogelijkheid dat ons universum niet alleen is. Als de inflatie ‘bubbels’ zou hebben gecreëerd in de langzamer uitdijende ruimte, hadden die bubbels zo dichtbij kunnen ontstaan dat ze met elkaar zouden kunnen botsen. Modellen suggereren dat dergelijke botsingen waarneembare littekens in de CMB zouden achterlaten. Hoewel vroege zoektochten naar deze afdrukken onduidelijke resultaten opleverden, verfijnen onderzoekers hun methoden en onderzoeken ze meer realistische scenario’s.
Er worden zelfs experimenten uitgevoerd in laboratoria om botsende universums te simuleren met behulp van exotische vloeistoffen, in een poging de theoretische voorspellingen te valideren.
De toekomst van kosmologisch onderzoek
Numerieke relativiteit test niet alleen bestaande theorieën; het onderzoekt ook de fundamenten van de theoretische natuurkunde. De vormen van het inflatonveld dat nodig is om inflatie te veroorzaken, botsen bijvoorbeeld met veel modellen van de snaartheorie, maar komen toch overeen met specifieke variaties. Dit suggereert dat sommige benaderingen om de zwaartekracht te verenigen met de kwantummechanica veelbelovender kunnen zijn dan andere.
Met snellere rekenkracht en meer geavanceerde simulaties zijn wetenschappers klaar om de grenzen van kosmologische kennis nog verder te verleggen. Het tijdperk van het blindelings accepteren van de oerknal als een absoluut begin loopt mogelijk ten einde. We gaan een fase in waarin de oorsprong van het universum kan worden getest, uitgedaagd en mogelijk herschreven op basis van het meedogenloze streven naar computationele waarheid.
De simulaties zijn prachtige staaltjes werk, maar nog steeds onvolledig. De modellen kunnen het universum zoals we het vandaag de dag zien nog niet volledig verklaren, maar ze komen steeds dichter bij het beantwoorden van de grootste vraag in de kosmologie: wat ging er aan alles vooraf?
