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.

Ontwikkelingstadiums van die heelal.

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.

Die uitbreiding van die heelal.

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.