Lancering van de COBE-satelliet in 1998.

NASA via publiek domein

NASA via publiek domein

Mather (NASA Goddard Space Flight Center) en Smoot (Universiteit van Berkeley) deden hun onderzoek vanaf 1998 met de COBE-satelliet (COsmic Background Explorer), een speciaal ontworpen telescoop die de kosmische achtergrondstraling in kaart moest brengen. Die straling is één van de sterkste bewijzen voor de Oerknal-theorie; de achtergrondstraling is het nagloeien van het heelal na dat superhete begin. Temperatuursschommelingen in de achtergrondstraling, zoals het duo ontdekte, zijn aanwijzingen voor de allereerste klonteringen van materie in het heelal.

‘Het is een prachtig experiment, waarin twee vakgebieden, astrofysica en deeltjesfysica samenkomen’, stelt hoogleraar Maarten de Jong van het FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF in Amsterdam. Hij is zeer verheugd met de toekenning, meldt hij op de FOM-site. ‘De resultaten waren echt een doorbraak. Ze bevestigen de theorie van de Big Bang. Ook bevestigen ze onze vermoedens over de aanwezigheid van zogenaamde donkere materie in ons heelal.’

De achtergondstraling is het oudste licht in ons heelal en kwam vrij toen 380.000 jaar na de Oerknal de loszwevende elektronen en atoomkernen samenklitten; licht kon voor het eerst ongehinderd grote afstanden afleggen. Mather liet met de COBE-instrumenten zien dat de achtergrondstraling net zo’n energieverdeling heeft als een zwarte straler van 2,7 graden boven het absolute nulpunt. De zwarte straler is de meest efficiënte warmtestraler uit de natuurkunde, met een energieverdeling die alleen afhangt van de temperatuur. Dat energieprofiel komt op allerlei plaatsen voor; gloeilampen, de zon en zelfs het complete heelal verdelen hun uitgestraalde energie op precies dezelfde manier.

Zwarte straler-profiel van de kosmische achtergrondstraling. De curve geeft aan hoeveel energie er op elke golflengte wordt uitgezonden. Korte golflengtes betekenen hoge energie per foton (lichtdeeltje), lange golflengtes juist een lage energie per foton.

NASA via publiek domein

NASA via publiek domein

Toen de achtergrondstraling werd uitgezonden, 380.000 jaar na de Oerknal was het heelal met 3000 graden Kelvin veel heter dan de huidige 2,7 Kelvin van de kosmische achtergrondstraling. Het is namelijk uitgedijd en daardoor raakte de energie van de Oerknal uitgesmeerd over een steeds groter volume.

Het zwarte straler-profiel in de achtergrondstraling was een duidelijke aanwijzing dat het heelal op het moment van uitzenden gevuld was met een gelijkmatig verdeeld gas van dezelfde temperatuur. Bijna dan. Liet Mather zien dat de achtergrondstraling een zwarte straler was, Smoot toonde aan dat er plekken waren met een iets andere temperatuur dan het gemiddelde. De verschillen waren absurd klein – 1/100.000 van een graad – maar duidelijk te zien met COBE’s gevoelige sensoren. Zulke klonteringen konden maar op één ding wijzen: massaklontering, de voorlopers van de huidige sterrenstelsels. Hoe heter (of minder koud), hoe meer materie er meer dan 13 miljard jaar geleden op die plaats aan de hemel aanwezig was.

De beroemde afbeelding van temperatuursschommelingen in de kosmische achtergrondstraling, gemaakt met de COBE-satelliet.

NASA via publiek domein

Na de succesvolle COBE-missie werd de kosmische achtergrondstraling verder onderzocht met de satelliet WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). In de toekomst ligt de Europese satelliet Planck, die nog meer details uit de oudste straling van het heelal moet peuteren.

Mather en Smoot krijgen de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 1,1 miljoen Euro op 10 december 2006 uitgereikt in het Zweedse Stockholm. Ze zijn het tweede duo dat in 2006 een prijs krijgt voor recent onderzoek. Ook de winnaars van de Geneeskundeprijs, Andrew Z. Fire en Craig C. Mello, kregen hun prijs voor werk uit 1998.