Rimpels in de oerknal

Aan de oerknal herinnert een zee van achtergrondstraling die overal in het heelal aanwezig is en die na miljarden jaren van uitdijing sterk is afgekoeld. Minieme fluctuaties in de temperatuur van dit eerste licht zijn een goudmijn voor kosmologen.

TERWIJL DE ENE na de andere ballonvaart rond de wereld strandt op slecht weer, domme pech of onwillige autoriteiten, liet een Amerikaans-Brits-Italiaans onderzoeksteam onlangs zien hoe het wel kan. Hun geheim: vertrek niet vanuit Florida of een Zwitsers dal, maar reis af in de poolstreken. Op 29 december 1998 startte vanaf station McMurdo op het randje van Antarctica de Boomerang-missie. Voortgedreven door een gunstige wind volgde de ballon op een hoogte van 40 kilometer keurig de 78-ste breedtegraad, om na ruim 10 dagen en een reis van 5410 kilometer op zijn vertrekpunt terug te keren.

Boomerang is dan ook geen speeltje van gefortuneerde avonturiers maar een wetenschappelijk experiment. Zijn gondel herbergde geen passagiers en voedsel maar een telescoop, vaten met vloeibare stikstof en helium en instrumenten ter bepaling van de kosmische achtergrondstraling. Dia's van de vlucht werden eind januari in Anaheim (Californië) getoond op de jaarbijeenkomst van de AAAS, de American Association for the Advancement of Science. Op het symposium The Fate of the Universe deed Andrew Lange, hoogleraar experimentele kosmologie aan Caltech (California Institute of Technology), verslag van Boomerang en plaatste de missie in het bredere perspectief van de zoektocht naar minuscule rimpelingen in straling die dateert van de oerknal.

Die oerknal vond plaats tien à twintig miljard jaar geleden. Na één seconde was de temperatuur gedaald tot tien biljard (10) graden en bestond het heelal uit een samenballing van energierijk licht, elementaire deeltjes en hun anti-deeltjes. Al snel restte er vooral straling: tien miljard lichtdeeltjes (fotonen) op ieder nucleon (kerndeeltje). Toen het heelal drie minuten oud was, was de temperatuur zo `laag' dat lichte atoomkernen konden ontstaan: waterstof, helium en lithium. Dit proces van nucleosynthese was in twintig minuten afgerond, waarna een ondoorzichtig plasma van ionen en licht gedurende 300.000 jaar verder uitdijde.

ZACHTROOD

Toen, op een moment dat het heelal duizend keer kleiner was dan nu, het een temperatuur bezat van 3.000 graden en niet langer felwit straalde maar zachtrood, bonden de ionen en elektronen zich samen tot neutrale atomen. Het gevolg was dat het licht niet langer aan geladen deeltjes werd verstrooid: materie en straling raakten ontkoppeld. Plotseling trok de `mist' op en werd het heelal bijna volmaakt doorzichtig. Het licht van de oerknal, na 300.000 jaar ontketend, heeft zich sindsdien praktisch ongehinderd uitgebreid. Wel is het door de uitdijing van het heelal nu afgekoeld tot 2,73 graden boven het absolute nulpunt en `verkleurd' tot microgolven met een lengte van rond de millimeter.

Deze kosmische achtergrondstraling vult het gehele heelal. Meer dan 99,9 procent van alle elektromagnetische energie die ooit in de kosmos is opgewekt, het licht van de sterren inbegrepen, is vervat in dit relict van de oerknal. In 1965 kwam deze straling bij toeval aan het licht toen twee Amerikaanse elektrotechnici, Arno Penzias en Robert Wilson, voor Bell Labs een nieuw type antenne testten en in alle richtingen een onverklaarbaar hoog niveau aan `ruis' opmerkten. Een fraai geval van serendipiteit, dertien jaar later goed voor een Nobelprijs.

In 1990 kwam de achtergrondstraling stukken nauwkeuriger in beeld dankzij COBE (Cosmic Background Explorer), een satelliet van de NASA. Het spectrum van de straling bleek zeer precies dat van een zwart lichaam te volgen (een zwart lichaam absorbeert alle opvallende straling en zendt deze weer uit volgens een patroon dat rond 1900 door de Duitse natuurkundige Max Planck is afgeleid). Dit betekent dat de huidige fysische wetten ook golden toen het oerlicht ontstond, de eerste seconden na de Big Bang. De achtergrondstraling blijkt een uiterst gaaf fossiel dat van alles te zeggen heeft over de condities in het vroegste heelal.

Spectaculair was de bevinding van COBE dat de temperatuur van de achtergrondstraling van plaats tot plaats aan de hemel verschilt. De variaties waren miniem, 0,00003 graad, maar na jaren doormeten stonden ze als een huis. Ze waren bijzonder welkom. Sinds de ontdekking van Penzias en Wilson hadden astronomen er naarstig naar gezocht, maar steeds bleek de temperatuur van de oergloed binnen de meetfout in alle richtingen constant. Een verontrustende toestand: als het vroege heelal geen enkele structuur bezat (isotroop was), hoe viel dan te rijmen dat zich (super)clusters van sterrenstelsels hadden gevormd? Hoe brouwt een gladde oerknal materieklonten? Dankzij COBE was dit probleem uit de wereld. De relatief koude en warme plekken aan de microgolfhemel lieten zich direct vertalen naar gebieden van hogere en lagere dichtheid in het prille heelal. Uit deze kiemen groeiden de concentraties aan materie die we nu zien.

In het kielzog van COBE hebben zich overal ter wereld groepen geworpen op het nauwkeurig meten van temperatuurverschillen in de achtergrondstraling. Het gaat om tientallen experimenten, vanaf de grond, tijdens raketvluchten en ballonvaarten (zoals Boomerang) en – in de nabije toekomst – opnieuw vanuit een satelliet in de ruimte. Nauwkeurigheid betekent in dit verband een hoge resolutie, wat wil zeggen dat de hemel in kleine stukjes (enkele boogminuten) wordt afgetast. Maar ook een hoge gevoeligheid: het detecteren van ongekend kleine temperatuurverschillen. Dat laatste is des te lastiger omdat de Melkweg, het kosmisch stof in het heelal, de dampkring, de aardbodem en niet te vergeten de meetapparatuur zelf allemaal ook microgolven uitzenden waaruit het te meten signaal moet worden opgevist.

Om de vingerafdruk die de oerknal op de achtergrondstraling heeft gedrukt naar behoren te kunnen lezen, zijn waarnemingsprestaties als die van COBE ontoereikend. De resolutie waarmee deze satelliet de hemel aftastte bedroeg zo'n 7 graden, twee keer de omvang van de maanschijf. Kijken we met COBE-ogen naar de aarde, dan zouden de continenten ternauwernood te onderscheiden zijn. En dat terwijl details ter grootte van Terschelling bepalend zijn, overeenkomend met minder dan een tiende van een graad. Ook mogen temperatuurverschillen van een paar micrograden geen probleem opleveren – COBE stokte bij dertig micrograden. Werk aan de winkel voor bekwame instrumentmakers.

RATJETOE AAN RUIS

Een hoge resolutie-opname van de achtergrondstralingshemel biedt op het eerste gezicht de aanblik van een ratjetoe aan ruis. Toch dienen zich bij nadere beschouwing karakteristieke lengteschalen aan, ieder met bijbehorende waarde voor de temperatuurfluctuatie. Bijvoorbeeld: van details ter grootte van tien graden lopen de temperaturen maximaal 30 micrograden uiteen, bij een graad ligt dat getal op 55 micrograden. Zetten we de gemeten temperatuurverschillen in een grafiek uit tegen de detailgrootte, uitgedrukt in graden, dan levert dit een anisotropie-curve op. Het is deze curve die de kosmoloog een schat aan informatie biedt.

Om de anisotropie-curve te kunnen interpreteren gaan we terug naar het moment van ontkoppeling, 300.000 jaar na de oerknal. Tot die tijd bestond, zoals opgemerkt, het heelal uit ionen en een overdaad aan straling. De evolutie van die ondoorzichtige vuurbal is gestuurd door fysische parameters. Daarvan vertelt de Hubbleconstante hoe snel het heelal uitdijt. `Omega' zegt of we in een eeuwig uitdijend, open heelal leven, in een gesloten heelal dat na verloop van tijd weer gaat krimpen tot een finale eindkrak, of in een vlak heelal daar precies tussenin. Dan is er de kosmologische constante, door Einstein ad hoc ingevoerd om het heelal voor ineenstorting te behoeden maar al snel verguisd. Sinds de ontdekking vorig jaar van het versneld uitdijende heelal is die weer helemaal terug van weggeweest: een soort vacuümenergie die de zwaartekracht tegenwerkt. Ook van belang voor het vroege heelal is de verhouding tussen de hoeveelheid gewone materie (waterstofgas, koper, enzovoort) en exotische donkere materie die zich (nog) aan waarneming onttrekt maar die onontbeerlijk is om bewegingen van sterren binnen melkwegstelsels, of van sterrenstelsels binnen clusters, te verklaren.

Al die kosmologische parameters beïnvloedden de loop van het heelal en drukten zo hun stempel op de temperatuurstraling die na 300.000 jaar de ruimte kreeg en die we nu, afgekoeld maar ongeschonden, aan de hemel waarnemen. Nu mag het heelal de eerste tijd een hete dichte brij zijn geweest, de fysica die op de aanwezige ionen en fotonen van toepassing was kenmerkte zich wel door grote eenvoud. Dit in tegenstelling tot na de ontkoppeling, toen zich gas vormde, de vergelijkingen complexer (niet-lineair) werden en chemie, biologie en economie hun intrede deden.

Door die eenvoudige fysica is de anisotropie-curve (temperatuurfluctuaties uitgezet tegen de schaalgrootte), gegeven de waarden van de kosmologische parameters, moeiteloos te berekenen. Dat is theorie, en voor iedere set aan parametergetallen loopt de grafiek anders. Andersom pint de experimenteel vastgestelde curve de waarden van die parameters vast en tevens fungeert hij als scheidsrechter in de keuze tussen verschillende heelalmodellen.

Zoals de inflatie-hypothese. Die zegt dat het heelal kort na de oerknal, toen het nog miniem van afmeting was, een enorme groeispurt doormaakte naar het formaat van een forse sinaasappel, waarbij quantumfluctuaties uit het pre-inflatietijdperk tot macroscopische omvang werden opgeblazen en zo als dichtheidsfluctuaties – en daarmee als temperatuurfluctuaties – in de oersoep opdoken. Ook op wat grovere schaal, en dus zichtbaar voor COBE. Inflatie ruimt belangrijke problemen van de oerknal uit de weg, maar als de anisotropie-curve er niet aan wil staat de kosmoloog toch voor de opgave er nog eens goed naar te kijken.

De echt interessante zaken in de anisotropie-curve spelen zich af op schalen kleiner dan een graad, buiten het bereik van COBE maar binnen dat van de huidige en komende experimenten. In de oersoep van vóór de ontkoppeling kwamen toevallige verdichtingen voor, maar door het samenspel van materie en straling konden die niet imploderen en in plaats daarvan ontstaan periodieke afwisselingen (Sacharov-oscillaties) van verdichtingen en verdunningen.

Nu is het zo dat door de tijd die de zwaartekracht nodig heeft zich elders te manifesteren een kleine bel eerder instort dan een grote. Stel nu dat we beginnen met een iets verdichte bel die zo groot is dat hij in de 300.000 jaar van zijn bestaan juist de tijd heeft om zich samen te trekken tot een toestand van maximale dichtheid. Die bel bepaalt aan de hemel de maximale grootte die de relatief hete gebieden in de kosmische achtergrondstraling kunnen aannemen. De temperatuurverschillen op die schaal zijn dus maximaal, zich uitend in een piek in de anisotropie-curve. Doorrederend naar gevallen waarbij op het moment van ontkoppeling niet een kwart maar driekwart van de oscillatie achter de rug is, enzovoort, leidt dit tot een serie pieken bij steeds hogere resolutie. De ligging van die pieken in de anisotropie-curve, en hun intensiteit, volgt uit de (simpele) fysica en hangt af van de getalswaarden die aan de kosmologische parameters zijn toegekend.

Uit de experimenten tot nu toe is de anisotropie-curve onvoldoende nauwkeurig vast te stellen. Wel zijn de laatste maanden aanwijzingen gevonden voor het bestaan van tenminste één piek en veel kosmologische modellen hebben onder druk van de feiten het loodje gelegd. Intussen groeit de gevoeligheid van de meetinstrumenten met sprongen. Boomerang, waarvan de resultaten eind dit jaar bekend zullen komen, is als eerste nauwkeurig genoeg om de positie en hoogte van enkele pieken vast te stellen.

ONTSLOTEN

Binnen drie jaar zal, zo voorspelde Andrew Lange in Anaheim, de schat die in de rimpels op de achtergrondstraling verstopt zit grotendeels zijn ontsloten. Zeker als MAP, de Microwave Anisotropy Probe die de NASA eind 2000 als opvolger van COBE hoopt te lanceren, aan de verwachtingen voldoet. De kosmologische parameters, waarvoor op dit moment slechts ruwe schattingen bestaan, zullen weldra tot op enkele procenten nauwkeurig bekend zijn. Dan weten we niet alleen veel beter hoe het heelal begonnen is, maar ook hoe het met ons zal aflopen.

Intussen is de groep van Lange ook bezig variaties in de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling te meten (gepolariseerd licht trilt in een bepaald vlak). Dat kan heel goed vanaf de aarde omdat de microgolven van de omgeving niet gepolariseerd zijn. Voorwaarde is dat zowel de resolutie als de gevoeligheid waarmee de hemel wordt afgetast fors verbeteren. De detectoren die dit moeten gaan waarmaken worden door Lange en zijn team ontwikkeld en uitgetest met een telescoop in Owens Valley in Californië.

Polarisatiemetingen vormen een check op de temperatuurmetingen en openen tevens nieuwe verten. Lichten de temperatuurvariaties de kosmoloog in over het heelal tot één seconde na de oerknal, verschillen in polarisatie voeren hem verder terug, dwars door de oersoep naar het tijdperk van inflatie. Geen techniek komt dichter bij de schepping.