Inflatie zonder inflaton: een Spaanse wetenschapper stelt een revolutionaire theorie voor over het ontstaan van het heelal.

Het waren zwaartekrachtgolven , en niet hypothetische deeltjes genaamd inflatons, die verantwoordelijk waren voor de plotselinge inflatie die plaatsvond in het prille begin van het heelal. Net zoals oceaangolven kustlijnen vormen, zetten deze rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd de pasgeboren kosmos op het pad dat hem tot wat we vandaag de dag zien heeft gebracht. Een werkelijk revolutionair idee, vastgelegd in een artikel getiteld "Inflatie zonder inflaton", onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters door een team van onderzoekers onder leiding van de Spanjaard Raúl Jiménez, ICREA-onderzoeker aan het Institute of Cosmos Sciences van de Universiteit van Barcelona, in nauwe samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Padua in Italië.

Decennialang is de theorie van kosmische inflatie de hoeksteen geweest die ons in staat stelt, ten minste gedeeltelijk, het mysterie van de oorsprong van het heelal te begrijpen. Het is een model dat ons in wezen vertelt dat het heelal in zijn vroegste momenten explosief groeide en zich in slechts een fractie van een seconde met een onvoorstelbare snelheid uitbreidde. Zonder deze plotselinge uitdijing zou het bijvoorbeeld onmogelijk zijn om te verklaren waarom, ondanks de ongelooflijke afstanden, de gemiddelde temperatuur van het heelal en de manier waarop materie daarin verdeeld is uniform zijn – dat wil zeggen, overal hetzelfde. Deze gebieden zouden deze eigenschappen nooit hebben kunnen 'delen' als ze niet eerder met elkaar in contact waren geweest. Dat wil zeggen, als een klein gebied dat vanaf het begin al uniform en in thermisch evenwicht was, zich niet snel had uitgebreid om het hele heelal te omvatten. Deze soort kosmische 'uitdijing', aldus de theorie, was wat de weg vrijmaakte voor de vorming van alles wat we vandaag de dag zien.

Ondanks het succes heeft de theorie van kosmische inflatie echter een "achilleshiel" waar natuurkundigen zich terdege van bewust zijn: de buitensporige afhankelijkheid van aanpasbare parameters. Met andere woorden, inflatie, in haar meest gangbare formulering, vereist het bestaan van een hypothetisch veld, het inflaton, waarvoor we geen experimenteel bewijs hebben. Bovendien moeten een aantal parameters worden aangepast om het model te laten passen bij de waarnemingen, wat voor veel wetenschappers een probleem is.

In de wetenschappelijke wereld wordt een model als robuuster beschouwd naarmate er minder manipulatie nodig is om het te laten werken. Omgekeerd lijkt een model dat perfect bij de data past, maar pas na aanpassing van duizend-en-één variabelen, meer op een op maat gemaakt pak dan op een universele natuurwet.

En hier komt het gedurfde nieuwe idee van Raúl Jiménez en zijn collega's om de hoek kijken. Hun theorie hoeft geen gebruik te maken van het inflaton of een ander exotisch ingrediënt om te werken. In plaats daarvan suggereert ze dat de kwantumfluctuaties van de ruimtetijd zelf, in de vorm van zwaartekrachtgolven, voldoende waren om de kiem te leggen voor de kosmische structuren die we vandaag de dag zien. Het is een elegant en minimalistisch idee, dat slechts twee essentiële ingrediënten gebruikt: zwaartekracht en kwantummechanica.

In een snel uitdijend heelal – een concept dat perfect aansluit bij wat we vandaag de dag zien dankzij de werking van donkere energie – vinden die kleine oscillaties van 'niets' continu plaats en zijn ze natuurlijk. Deze fluctuaties manifesteren zich als zwaartekrachtgolven die zich voortplanten, botsen en interacteren.

Door middel van complexe berekeningen kon Jiménez' team in hun studie aantonen dat deze minuscule zwaartekrachtgolven, terwijl ze met elkaar interacteren, de dichtheidsvariaties kunnen genereren die nodig zijn om de zwaartekracht in de loop van de tijd zijn werk te laten doen en de structuren te laten ontstaan die we kennen. Het eindresultaat is een model dat een spectrum van verstoringen (dichtheidsverschillen) genereert dat consistent is met wat we waarnemen in de kosmische achtergrondstraling, de echo van de oerknal. En dat zonder dat er nieuwe deeltjes hoeven te worden verondersteld. Zoals Jiménez zelf opmerkt: "We tonen aan dat zwaartekracht en kwantummechanica mogelijk voldoende zijn om te verklaren hoe de structuur van de kosmos is ontstaan."

Het voorstel van Jiménez en zijn team is weliswaar niet het enige alternatief (er zijn onder andere "snaarkosmologie", de "Big Bounce" en "Loop Quantum Gravity"), maar valt op door zijn eenvoud en vooral omdat het verifieerbaar is. Zoals Jiménez zelf opmerkt: "wetenschap op zijn best is het vermogen om duidelijke voorspellingen te doen die toekomstige waarnemingen kunnen bevestigen of verwerpen."

Natuurlijk doet de 'klassieke' inflatietheorie ook voorspellingen, maar die zijn moeilijk te verifiëren, omdat de eigen flexibiliteit en aanpasbaarheid tegenwerken. Het nieuwe voorstel is echter veel restrictiever. En als het klopt, zouden we het moeten kunnen testen met de volgende generaties telescopen en experimenten die momenteel in aanbouw zijn. De sleutel ligt in het kunnen detecteren van de zogenaamde 'oer'-zwaartekrachtgolven, iets wat tot nu toe nog niet is gelukt.

Huidige zwaartekrachtgolfdetectoren, zoals LIGO en Virgo, detecteren juist zeer "grove" golven, golven die afkomstig zijn van extreem heftige gebeurtenissen, zoals de botsing van zwarte gaten of de explosie van sterren. Maar de "vingerafdruk" van de oeroude zwaartekrachtgolven waarop Jiménez' model is gebaseerd, zou veel subtieler zijn, een veel lagere frequentie hebben en buiten het bereik van huidige instrumenten liggen. Dit is iets dat toekomstige projecten, zoals de LISA-ruimtetelescoop of de zoektocht naar zwaartekrachtgolven door middel van pulsars, zouden kunnen oplossen en zo het fascinerende idee van de Spaanse wetenschapper zouden kunnen bevestigen of ontkrachten.

Als Jiménez' theorie uiteindelijk wordt bevestigd, zou dat ons niet alleen een eleganter beeld geven van het ontstaan van de kosmos, maar ook een nieuw hoofdstuk openen in ons begrip van de vroegste momenten van het bestaan ervan. Het zou ons laten zien dat het antwoord soms niet ligt in het exotische en onontdekte, maar in de diepten van de natuurkunde die we al kennen. Een ware les in nederigheid en een bewijs van de intrinsieke schoonheid van het universum.