De jacht op kosmische rimpelingen

Vorige week donderdag maakten enkele astronomen tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society in Washington bekend dat de COBE-satelliet "rimpelingen' in de kosmische achtergrondstraling had ontdekt. COBE (Cosmic Background Explorer) is een NASA-satelliet die sinds november 1989 in een baan om de aarde draait. Door deze ontdekking zou weer een stukje van de puzzel van het ontstaan van sterrenstelsels op zijn plaats zijn gevallen. Maar de metingen liggen wel aan de grens van wat meetbaar is.

Aan het einde van de jaren veertig verscheen de theorie van de Big Bang of Oerknal op het astronomische toneel: het ontstaan van het heelal uit een toestand van extreem hoge temperatuur en dichtheid. Er werd toen voorspeld dat de straling uit die oertijd nu nog zou bestaan. Uit alle richtingen van het heelal zou een "koele' achtergrondstraling komen, met een temperatuur van enkele graden boven het absolute nulpunt (min 273 ß8C).

Deze "reststraling' werd in 1964 bij toeval ontdekt door Arno Penzias en Robert Wilson, twee ingenieurs van de Bell Telephone Laboratories in de VS. De temperatuur van de straling bleek 3 Kelvin te zijn. Dat toeval was overigens niet zo vreemd: de theorie van de Oerknal was toen nog niet zo populair als nu en tussen theoretici en waarnemers gaapte nog een flinke kloof.

Gevoeliger apparatuur

Het bestaan van de kosmische achtergrondstraling was het meest overtuigende bewijs voor de juistheid van de theorie van de Oerknal. Verontrustend was echter dat die straling overal aan de hemel, dus in elke richting in het heelal, precies dezelfde temperatuur had. Nergens was ook maar de geringste afwijking. Hoe viel dat te rijmen met de enorme "verdichtingen' die men nu in het heelal ziet, de clusters en superclusters van sterrenstelsels? Hoe konden zulke massaconcentraties uit zo'n uniforme "oertoestand' zijn ontstaan?

In de jaren tachtig ging men met steeds gevoeliger apparatuur naar mogelijke minieme variaties in de achtergrondstraling zoeken. Maar zulke metingen zijn geen sinecure. Het gaat om zeer "koele' straling, die gemakkelijk verdrinkt in warmere bronnen in de omgeving, zoals de aardbodem, de atmosfeer en de ontvanger zelf. Daarom ging men ook meten vanuit vliegtuigen, ballonnen, raketten en kunstmanen, trok men naar het zuidpoolgebied en dat alles met sterk gekoelde meetapparatuur.

Toen eind 1989 de Amerikaanse COBE-satelliet werd gelanceerd, maakten verschillende groepen onderzoekers jacht op mogelijke temperatuurvariaties: desperately seeking ripples. De bovengrens van mogelijke fluctuaties werd hierdoor steeds verder omlaag gedrukt, maar nog net niet zo ver dat de theoretici er niet meer uit kwamen. De Amerikaanse astronoom Craig J. Hogan merkte in maart 1990 op dat "de verfijning van hun statistische wapens aantoont dat deze teams hun prooi op de hielen zitten'.

En nu werd vorige week dus bekendgemaakt dat COBE die prooi zou hebben gevangen. Een van de instrumenten aan boord van deze satelliet zou variaties van dertig en ook zes miljoenste graad hebben gemeten. Deze zouden er op wijzen dat er kort na het ontstaan van het heelal al verschillen in materiedichtheid waren en die zouden het ontstaan van grote structuren beter te begrijpen maken. Ook de theorie dat er in het heelal nog veel koude, donkere materie zit wordt er door ondersteund.

Rond de ontdekking heerst nu groot enthousiasme, maar ook onduidelijkheid. De onderzoekers hielden de ontdekking drie maanden geheim en kwamen er pas mee op een grote bijeenkomst van astronomen. Blijkbaar wilde men zo veel mogelijk publiciteit. Maar astronomen in Nederland vernamen via hun electronic mail weinig méér dan het feit van de ontdekking en hoorden ook niets over een publikatie. Dit is volgens de Utrechtse astronoom Jan Kuypers "wetenschappelijk een beetje zwak'.

De nu gemeten temperatuurvariaties in de kosmische achtergrondstraling zijn ongeveer gelijk aan de verwachte meetnauwkeurigheid van de COBE-satelliet: één op ongeveer honderdduizend. Zouden de variaties niet betrekking kunnen hebben op willekeurige pieken in de "achtergrondruis', die men wat voorbarig als reële feiten beschouwt? Zou men eventuele andere onderzoekers vóór willen zijn?

De Groningse astronoom Edwin Valentijn ziet geen aanwijzingen dat men de zaak heeft opgeklopt. "De onderzoekers lijken eindeloos hun best te hebben gedaan om de metingen te verifiëren. Er zitten namelijk ontzettend veel addertjes onder het gras. Je moet allerlei effecten uit de metingen filteren, zoals de straling van de zon en van het stof in het zonnestelsel en het melkwegstelsel'. En ook de meetapparatuur zelf kan voor verrassingen zorgen.

Zorgvuldigheid

Die zorgvuldigheid wordt ook benadrukt door de Amsterdamse astronoom Jan van Paradijs, die de bewuste bijeenkomst in Washington zelf heeft bijgewoond. Het COBE-team heeft de metingen in drie verschillende, onafhankelijke frequentiebanden met elkaar vergeleken, aldus Van Paradijs en die gaven overal aan de hemel dezelfde signalen te zien. De temperatuurrimpelingen aan de hemel wijzen op structuren met een lengte van ruwweg 20ß8.

Volgens Van Paradijs deed men tijdens de bekendmaking niet geheimzinnig en gaf men veel informatie, evenals twee preprints van artikelen die werden aangeboden aan de Astrophysical Journal. Pas als deze worden bestudeerd zal men een en ander beter kunnen beoordelen.

Als verder onderzoek aantoont dat de rimpelingen in de kosmische achtergrondstraling inderdaad bestaan, zal men in de kosmologie belangrijke vooruitgang hebben geboekt. Maar een Nobelprijs, zoals Penzias en Wilson die in 1978 voor hun ontdekking kregen, zit er niet in, ook al suggereren de berichten uit de Verenigde Staten anders.

Foto: Hemelkaart van de kosmische achtergrondstraling, samengesteld uit de eerste waarnemingen van de COBE-satelliet. De metingen werden gedaan op een golflengte van 5,7 mm. Het intensiteitsverschil tussen het deel rechtsboven en linksonder is een gevolg van de beweging van de aarde (met zon en melkwegstelsel) door de achtergrondstraling. Die beweging veroorzaakt een temperatuur van enkel milli-Kelvin. Op deze eerste hemelkaart is nog niets te bespeuren van temperatuurverschillen die zouden kunnen samenhangen met het onstaan van sterrenstelsels in het prille heelal. (foto NASA)