Je leest:

De vingerafdruk van de Oerknal

De vingerafdruk van de Oerknal

Auteur: | 21 mei 2009

Op 14 mei jongstleden lanceerde de Europese ruimtevaartorganisatie ESA twee nieuwe ruimtetelescopen. Eén van de twee, Planck, gaat de kosmische stralingsachtergrond van het heelal in kaart brengen. Deze koude, ogenschijnlijk saaie straling bevat informatie uit de vroegste jaren van het heelal. Op zoek naar een vingerafdruk van de Oerknal…

Ongeveer 13,7 miljard jaar geleden begon het universum. Volgens kosmologen en experts op het gebied van Einstein’s relativiteitstheorie was er een enkel, massaloos punt met een oneindig hoge dichtheid, een zogenaamde singulariteit. Dit punt had een temperatuur van 1028 ºC, een 1 met 28 nullen. Vóór dat moment hadden ruimte en tijd geen betekenis. Na dat moment, beter bekend als de Oerknal, nam het universum stukje bij beetje de vorm aan die we nu kennen.

Een schematische weergave van de geschiedenis van het heelal. De kosmische microgolfachtergrond komt uit de tijd na de zogenaamde ‘Dark Ages’ van het heelal, waarin licht nog niet uit de dichte materiewolk kon ontsnappen.
NASA/WMAP

Het vroege heelal

Wat er precies gebeurde in de eerste momenten na de Oerknal is moeilijk te voorspellen. Licht en materie moeten toen ontstaan zijn, en ergens is er iets gebeurd waardoor we in een heelal vol materie leven, zonder de bijbehorende anti-materie. Theoretisch natuurkundigen zoals snaartheoreten houden zich volop bezig met die raadsels. Pas vanaf zo’n 300.000 jaar na de Oerknal is er iets meetbaars ontstaan. Het heelal was toen afgekoeld naar zo’n 3000 kelvin (3273 ºC), koud genoeg om stabiele atomen te vormen. De soep van deeltjes die in het heelal aanwezig was balde zich samen in atomaire materie, en plotseling werd het universum doorzichtig voor licht…

Ondertussen is het heelal ongeveer 1000 keer zo groot geworden, en door die uitdijing is het licht uit het vroege heelal ongeveer 1000 keer zo zwak geworden. De temperatuur van de kosmische achtergrond is gedaald tot ongeveer 3 graden kelvin, een temperatuur die overeenkomt met de energie van microgolven. En hoewel er sindsdien 13,4 miljard jaar zijn verstreken, is die achtergrondstraling nog steeds aanwezig. Door microgolven te meten kunnen we, kortom, achterhalen hoe de verdeling van energie en materie er vlak na de Oerknal uitzag.

Met deze machine ontdekten Arno Penzias en Robert Wilson de kosmische microgolfachtergrond – een ontdekking die ze in 1978 de Nobelprijs opleverde.

In de jaren ’40 waren er al een aantal wetenschappers die het bestaan van de kosmische microgolfachtergrond voorspelden, maar pas in 1965 werd deze ook daadwerkelijk gemeten. Amerikaanse wetenschappers van Bell Labs onderzochten radiostraling uit het heelal, maar ze vonden een onverklaarbaar achtergrondsignaal met een golflengte van ongeveer 1,9 millimeter. Aanvankelijk dachten ze dat het misschien door duivenpoep op de detector werd veroorzaakt. Toen een grondige schoonmaakbeurt de ruis nog steeds niet wegnam, bespraken ze het fenomeen met een aantal collega’s. Zo ontdekten ze dat hun signaal perfect overeenkwam met de voorspelling van een uniforme kosmische achtergrondstraling – een ontdekking die de toevallige vinders in 1978 een Nobelprijs opleverde.

Microgolftelescopen

Wetenschappers realiseerden zich dat de kosmische achtergrondstraling informatie bevat over de structuur van het jonge heelal. Vandaar dat de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA een satelliet ontwikkelde die de achtergrondstraling in detail zou gaan bekijken – COBE, de Cosmic Background Explorer. In 1992 bracht deze satelliet de temperatuurverschillen van de straling in kaart – inmiddels een beroemd plaatje. De temperatuurvariaties bleken heel klein te zijn, wat betekent dat de dichtheid van het vroege heelal uniformer is dan werd aangenomen. De grootte van de gebiedjes waarin de temperatuurverschillen werden gevonden bleek groter dan verwacht – voor kosmologen het bewijs dat het heelal vlak na de Oerknal exponentieel snel groeide.

Dit beroemde beeld is een samengestelde meting van WMAP, waarin de temperatuurfluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond te zien zijn.

COBE was nog niet in staat om metingen te doen die precies genoeg waren om geavanceerde theorieën over de Oerknal te toetsen, dus werd in 2001 een opvolger gelanceerd: de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Door de metingen van deze satelliet kunnen we de leeftijd van het heelal nu heel nauwkeurig schatten op 13,7 miljard jaar. Bovendien vertellen de observaties van WMAP ons dat de eerste sterren waarschijnlijk al 200,000 miljoen jaar na de Oerknal zijn ontstaan.

Planck

Dit jaar, acht jaar na de lancering van WMAP, stuurde de Europese ruimtevaartorganisatie ESA een nieuwe microgolfkijker het heelal in. Planck is genoemd naar een van de grondleggers van de kwantumfysica, en heeft een nog hogere gevoeligheid dan WMAP. Doordat de telescoop gekoeld is tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt kunnen zijn waarnemingen de temperatuur van de kosmische achtergrond tot op een micrograad nauwkeurig vaststellen.

Die precisie is nodig om de huidige theorieën over het ontstaan van het heelal te toetsen. Planck kan ons vertellen of een fase van exponentiële groei nodig is om het heelal te verklaren. Zo komen we er misschien achter of ons heelal altijd groter zal blijven worden of dat de groei ooit omslaat – van Big Bang naar Big Crunch, zeg maar. Bovendien kunnen we de waarde van één van de fundamentele natuurconstantes – de Hubble-constante – met Planck’s metingen preciezer vaststellen. En met al die informatie vinden we misschien ook aanwijzingen om de mysterieuze donkere materie die het grootste deel van ons heelal lijkt in te nemen te verklaren.

In deze video is te zien hoe ruimtetelescoop Planck de kosmische microgolfachtergrond gaat meten – de telescoop tolt om zijn as, en scant zo reepje voor reepje de hemel af. Planck doet dat in de 15 maanden dat hij in werking zal zijn twee keer, om de hoogst mogelijke resolutie te bereiken.

In de komende anderhalf jaar gaat Planck twee keer het complete hemelgewelf afscannen om de kosmische achtergrond te meten. Conclusies zullen dus nog even op zich laten wachten, maar met deze satelliet hebben we in ieder geval een heelalkijker die verder ‘terug in de tijd’ kan kijken dan ooit tevoren. Wie weet welke geheimen van de vingerafdruk die de Oerknal in de kosmische microgolf-achtergrond heeft achtergelaten deze keer aan het licht zullen komen?

Zie verder over de Oerknal:

Zie verder over Planck:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 mei 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.