Vlak na de oerknal zou ons heelal zijn afgekoeld en weer opgewarmd. Een team van natuurkundigen denkt echter dat het ook anders kan zijn gegaan.

Als je het woord inflatie hoort, denk je waarschijnlijk in eerste instantie aan de economie. Maar binnen de sterrenkunde speelt het begrip net zo’n cruciale rol. Alleen houdt kosmische inflatie iets heel anders in, namelijk dat het universum vlak na de oerknal een fractie van een seconde uitdijde met een onvoorstelbaar groot tempo. Is dat inderdaad gebeurd, dan zou dat heel wat grote problemen uit de sterrenkunde oplossen.

Alleen: niet iedereen vindt de huidige manier waarop tegen inflatie wordt aangekeken even ‘mooi’. We gaan er namelijk van uit dat het heelal tijdens de inflatieperiode afkoelde en daarna weer opwarmde. Nergens voor nodig, zeggen Arjun Berera (Universiteit van Edinburgh) en drie collega’s. Na twee decennia aan mislukte pogingen hebben ze nu laten zien dat inflatie zónder afkoeling ook een mogelijkheid is. En dat levert volgens hen een veel aantrekkelijker scenario op voor de eerste groeistuipen van ons heelal.

Onvindbare deeltjes

Allereerst: waarom is het überhaupt nodig om het universum inflatie te laten doormaken? Daar zijn verschillende redenen voor. Onder andere heeft ons heelal in alle richtingen dezelfde temperatuur. En zonder inflatie is dat heel gek. In dat geval heeft de materie in ons heelal namelijk nooit de gelegenheid gehad om met elkaar in contact te komen en zo overal even warm te worden. Mét inflatie is die mogelijkheid er wel: vóór de inflatieperiode was alles in het heelal zó dicht op elkaar gepakt dat de temperatuur overal gelijk kon trekken.

Een andere motivatie voor inflatie is dat ons heelal precies de goede dichtheid lijkt te hebben om nét niet in te storten onder invloed van zijn eigen zwaartekracht. In een heelal zonder inflatie zou dat extreem toevallig zijn, terwijl een heelal met inflatie juist automatisch de juiste dichtheid krijgt.

Tot slot zijn er nog de magnetische monopolen (zie de ‘Far out’ in KIJK 10/2016). Deze deeltjes zouden zonder inflatie werkelijk overal zijn, terwijl we er toch nog nooit een hebben gezien. Maar als je het heelal ‘verdunt’ door het eventjes héél snel uit te laten dijen, worden de monopolen die vlak na de oerknal ontstonden uitgesmeerd over zo’n groot gebied dat het niet gek is dat we ze nooit hebben kunnen vinden.

Geen quantumzaadjes

Om deze redenen is inflatie inmiddels een onder kosmologen breed geaccepteerd onderdeel van het oerknalverhaal. Eén element van het idee zit echter niet iedereen lekker, namelijk dat het heelal flink afkoelt: de temperatuur gaat gedurende de inflatie tijdelijk met een factor 100.000 omlaag. (Echt frisjes is het daarmee overigens nog steeds niet. Ook tijdens deze ‘koude’ inflatie zou het nog steeds een slordige 10.000 miljard miljard graden zijn geweest.) De reden van die afkoeling is dat er tijdens de inflatie geen nieuwe deeltjes en geen straling kunnen ontstaan; dat gebeurde pas na afloop.

Maar in 1995 stelde Berera dat het misschien wél mogelijk was om deeltjes en straling te maken tijdens de inflatie. En dat zou volgens hem een veel natuurlijker plaatje opleveren: “Het universum begint dan heet en koelt geleidelijk af, in plaats van dat de temperatuur heel snel daalt en vervolgens weer heel snel stijgt.”

Daarnaast ga je er bij koude inflatie van uit dat er in het piepjonge heelal minuscule oprispingen in het vacuüm optraden; de zogenoemde quantumfluctuaties. De inflatie vergrootte die onregelmatigheden vervolgens uit tot de ‘zaadjes’ van de sterrenstelsels die momenteel ons heelal bevolken. “Maar hoe die overgang van quantum naar niet-quantum in zijn werk ging, is niet duidelijk”, zegt Berera. “Bij een warme inflatie heb je die ‘quantumzaadjes’ niet nodig, dus omzeil je dat hele probleem.”

In het verdomhoekje

Er valt dus best wat te zeggen voor warme inflatie. Helaas voor Berera werd zijn idee in 1999 resoluut afgeserveerd door één van de grootvaders van de (koude) inflatietheorie: de Russisch-Amerikaanse natuurkundige Andrei Linde. “Dat had een enorme invloed op hoe men tegen het idee aankeek”, vertelt Berera. “Sindsdien meende iedereen in ons vakgebied dat warme inflatie simpelweg geen haalbare kaart was.”

Berera gaf echter niet op. In de loop der jaren bedacht hij met zijn collega’s diverse manieren om warme inflatie toch voor elkaar te boksen. Die pogingen bleken echter stuk voor stuk veel te ingewikkeld en gekunsteld om echt bruikbaar te zijn. Warme inflatie bleef daardoor jarenlang in het verdomhoekje zitten waar Linde het naartoe had gegooid.

Tot nu? Dit najaar presenteerden Berera en collega’s namelijk eindelijk een simpele variant van hun warme inflatie, door een truc te lenen die in de deeltjesfysica wordt gebruikt om de massa van het in 2012 ontdekte higgsdeeltje te verklaren. “Daardoor is ons nieuwe warme-inflatie-model net zo simpel als de koude variant”, zegt Berera. Bovendien blijkt deze specifieke variant van warme inflatie mooi in overeenstemmingen met metingen gedaan door de Europese satelliet Planck.

Alle manieren bestuderen

Daarmee is natuurlijk allesbehalve bewezen dat de inflatie warm was. (Sterker nog, we weten niet eens zeker of er überhaupt wel inflatie heeft plaatsgevonden.) Bovendien is lang niet iedereen overtuigd van de voordelen van de warme variant. Natuurkundige Marieke Postma zegt bijvoorbeeld: “Het maakt eigenlijk niet zoveel uit of de deeltjes die nu ons heelal bevolken tijdens de inflatie ontstonden of erna.” Ook vindt ze het nieuwe model van Berera nog steeds ingewikkelder dan de simpelste koude-inflatie-modellen.

Maar, zo vervolgt ze: “Ik vind het sowieso goed dat alle manieren waarop inflatie kan plaatsvinden, worden bestudeerd.” Zelfs als een van de grootheden uit het vak er eerder bij wijze van spreken zijn kont mee heeft afgeveegd.

Bronnen: Physical Review Letters, ArXiv.org, APS Physics, University of Edinburgh

Beeld: ESA and the Planck Collaboration