De kosmische achtergrondstraling – het restant van de Oerknal

De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet
De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet. De kaart is gemaakt in 2013. Credit: ESA

De kosmische achtergrondstraling is een stralingsrestant van de Oerknal, de tijd dat het heelal is begonnen. Zoals de theorie zegt kende het heelal meteen na zijn geboorte een hele snelle inflatie en expansie. Tegenwoordig breidt het heelal zich nog steeds uit en die versnelling van die uitbreiding lijkt niet in alle richtingen hetzelfde te zijn. De kosmische achtergrondstraling is een restant van de hitte van de Oerknal.

We kunnen deze kosmische achtergrondstraling niet met het blote oog zien maar de straling komt overal in het heelal voor. De kosmische achtergrondstraling heeft een tempratuur van slechts 2,725 °C boven het absolute minimum (-273.15 °Celsius). Zit betekent dat de kosmische achtergrondstraling het beste op de microgolflengtes van het elektromagnetische spectrum zichtbaar is.

Herkomst en ontdekking

Het heelal is ongeveer 13,8 miljard jaar geleden ontstaan en de kosmisch achtergrondstraling dateert van ongeveer 400.000 jaar na de Oerknal. Kort na de geboorte van het heelal was dit nog erg klein, ongeveer 1/100.000.000.000ste van de grootte van tegenwoordig. De temperatuur was er extreem hoog: ongeveer 273 miljoen graden boven het absolute nulpunt.

Eventueel aanwezige atomen werden in die periode weer heel snel afgebroken in kleinere deeltjes (protonen en elektronen). De straling van de kosmische achtergrondstraling in fotonen (deeltjes die kwantumlicht vertegenwoordigen of andere straling) werden door de elektronen verstrooid. Fotonen zwierven door het jonge heelal als optisch licht dat zich door een dikke mist verplaatst.

Ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal was het heelal zo ver afgekoeld dat er waterstof kon ontstaan. Omdat fotonen van de kosmische achtergrond nauwelijks werden beïnvloed als ze waterstof raakten bleven ze in rechte lijnen bewegen. Kosmologen verwijzen vaak naar een “oppervlak van de laatste verstrooiing”; toen de fotonen van de kosmische achtergrondstraling voor het laatst materie raakten. Daarna was het heelal te groot. Als we dus naar de kosmische achtergrondstraling kijken dan kijken we terug naar de tijd dat het heelal 380.000 jaar oud was en zien we het heelal net nadat het heelal ondoorzichtig was voor straling.

Het bestaan van de kosmische achtergrondstraling werd in 1948 voor het eerst voorspeld door de Amerikaanse kosmoloog Ralph Apher toen hij samen met zijn collega’s Robert Herman en George Gamow onderzoek deed naar de productie van het lichtste isotoop van waterstof. Dit type waterstof werd erg vroeg in de geschiedenis van het heelal gemaakt.

Arno Penzias en Robert Wilson
Arno Penzias (links) en Robert Wilson (rechts) in 1978 buiten de Holmdel hoornantenne (credit: Physics Today Collection/AIP/SPL)

De kosmische achtergrondstraling is per toeval ontdekt. In 1965 werkten twee wetenschappers van Bell Telephone Laboratories (Wilson en Penzias) aan een radio-ontvanger en ze waren verbaasd over de ruis die ze ontvingen. Ze realiseerden zich al snel dat die ruis uniform was verdeeld over de hemel. In dezelfde periode was een team van de universiteit van Princeton onder leiding van Robert Dicke op zoek naar de kosmische achtergrondstraling. Het team van Dicke kreeg lucht van het experiment van Wilson en Penzias en ze realiseerden zich dat de kosmische achtergrondstraling was ontdekt.

De beide teams publiceerden in 1965 snel artikelen in het tijdschrift The Astrophysical Journal  en waarin Penzias en Wilson beschreven wat ze zagen en het team van Dicke uitlegde wat dit dan betekent in de context van het heelal. In 1978 kregen Wilson en Penzias de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun ontdekking.

In meer detail

De kosmische achtergrondstraling is voor wetenschappers nuttig omdat die hun leert hoe het jonge heelal is ontstaan. De temperatuur is uniform verdeeld met fluctuaties die alleen zichtbaar zijn met nauwkeurige telescopen. Door het bestuderen van deze fluctuaties kunnen kosmologen leren over de herkomst van sterrenstelsels en grote structuren in het heelal en kunnen ze de basisparameters van de Oerknal meten.

In de tientallen jaren na de ontdekking werden al delen van de kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht. In 1989 werd de COBE gelanceerd (Cosmic Background Explorer). COBE werkte tot in 1993 en maakte als eerste een volledige kaart van de kosmische achtergrondstraling. Deze babykaart van het heelal bevestigde de theoretische voorspellingen over de Oerknal en liet tekenen zien van grote kosmische structuren die voorheen onbekend waren. In 2006 kregen John Mather en George Smoot die werkten met de COBE hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

In 2003 werd er een gedetailleerdere kaart gemaakt met behulp van de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Deze ruimtesonde werd in juni 2001 gelanceerd en functioneerde tot in 2010. De eerste afbeelding van de WMAP stelt dat het heelal 13,7 miljard oud is (dit werd later bijgesteld tot 13,8 miljard jaar) en liet ook een verrassing zien: al ongeveer 200 miljoen jaar na de Oerknal waren de eerste sterren zichtbaar en dat is veel eerder dan werd voorspeld.

Wetenschappers hebben uitgaande van deze resultaten verder gewerkt en de vroege uitdijingsfases van het heelal (in de biljoenste seconde na het ontstaan) bestudeerd door gebruik te maken van nauwkeurigere parameters van de atoomdichtheid, de klontering van het heelal en andere eigenschappen van het heelal kort na zij ontstaan. Ze ontdekten ook een vreemde asymmetrie in de gemiddelde temperaturen aan beide halfronden van de hemel en een “koude vlek” die groter was dan verwacht. In 2018 kreeg het WMAP-team voor hun werk de prestigieuze “Breakthrough Prize in Fundamental Physics”.

In 2013 werd aan de hand van gegevens van de Europese Planck Space Telescope de meest nauwkeurige kaart van de kosmische achtergrondstraling tot nu toe gemaakt. Met deze gegevens werd ook weer een nieuw mysterie ontdekt want de fluctuaties van de kosmische achtergrondstraling op grote schaal kwam niet overeen met de voorspellingen. De Planck bevestigde ook wat de WMAP al zag op het gebied van asymmetrie en de koude vlek. De uiteindelijke data van de Planck werden in 2018 vrijgegeven (Planck deed tussen 2009 en 2013 onderzoek) en ze lieten meer bewijs zien voor het bestaan van donkere materie en donkere energie. Dit zijn mysterieuze krachten die vermoedelijk achter de versnelling van het heelal zitten.

Andere onderzoeken hebben geprobeerd om naar andere aspecten van de kosmische achtergrondstraling te kijken. Eén daarvan is het bepalen van de verschillende polarisaties die E-modes worden genoemd (ze zijn in 2002 ontdekt door de Degree Angular Scale Interferometer op Antarctica) en de B-modes. B-modes kunnen geproduceerd worden door gravitationele lensing van E-modes (dit effect werd in 2013 voor het eerst gezien door de South Pole Telescope) en door zwaartekrachtsgolven (die in 2016 voor het eerst werden waargenomen met de Advanced Laser Gravitational Wave Observatory – LIGO). In 2014 dacht men met behulp van BICEPS2 die op Antarctica staat de gravitationele B-mode golven te hebben gevonden maar verder onderzoek (waaronder data van de Planck) toonden aan dat de resultaten afkomstig waren van kosmisch stof.

Nu, midden 2018, zijn astronomen nog steeds op zoek naar het signaal dat de korte periode van snelle expansie kort na de Oerknal aantoont. In die tijd versnelde de uitdijing van het heelal sneller dan de lichtsnelheid. Als dit inderdaad is gebeurd dan zou dit in de vorm van polarisatie in de kosmische achtergrondstraling zichtbaar moeten zijn. Een onderzoek van eerder dit jaar suggereerde dat een gloed van nanodiamanten een zwak maar onmiskenbaar licht veroorzaakt dat interfereert met kosmische waarnemingen. Nu dat met deze gloed rekening wordt gehouden zou de zwakke polarisatie van de kosmische achtergrondstraling beter gezien kunnen worden. Maar tot op heden is dat dus niet gelukt.

Meer lezen: NASA: Tests of Big Bang: The CMB

 

Eerste publicatie: 12 september 2018
Universetoday, space.com