Rimpels in het prille heelal

Metingen vanuit een ballon hebben de minieme fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling met niet eerder vertoonde precisie in kaart gebracht. Conclusie: het heelal is plat.

We leven in een vlak (euclidisch) heelal dat direct na de Oerknal een korte periode van extreem snelle uitdijing heeft doorgemaakt (inflatie) en dat naast gewone en (vooralsnog met raadsels omgeven) onzichtbare donkere materie waarschijnlijk gevuld is met vacuümenergie die het heelal versneld doet uitdijen. Dit is het resultaat van een eerste analyse van het internationale Boomerang-experiment waarbij vanuit een ballon die een rondje boven Antarctica vloog minieme temperatuurvariaties in de kosmische achtergrondstraling zijn gemeten. De resultaten verschenen afgelopen donderdag in Nature.

Een van de overblijfselen van de Oerknal, die het heelal zo'n 15 miljard jaar geleden in gang zette, is de alom aanwezige kosmische achtergrondstraling. Toen na 300.000 jaar het heelal zover was afgekoeld dat protonen en elektronen konden binden tot waterstof, raakte de aanwezige straling ontkoppeld van de materie, waarna ze zich vrijelijk in alle richtingen door een transparante ruimte kon uitbreiden. Door de uitdijing is de kosmische achtergrondstraling – in 1965 bij toeval ontdekt – inmiddels afgekoeld tot 2,7 graden boven het absolute nulpunt.

In 1990 kwam via de satelliet COBE (Cosmic Background Explorer) in beeld dat de kosmische achtergrondstraling niet helemaal in alle richtingen even koud is, maar minieme temperatuurfluctuaties vertoont in de orde van tientallen micrograden (miljoensten van een graad). Die zijn terug te voeren op dichtheidsfluctuaties in het zeer prille heelal die via de zwaartekracht zijn uitgegroeid tot de sterren en stelsels van sterren die we nu kennen. Tussen de grootte van de temperatuurfluctuaties en de omvang van de koudere en warmere vlekken bestaat een verband dat correspondeert met de geluidsgolven in het plasma van het prille heelal. Zo is in details groter dan 7 graden (2 de maanschijf en de nauwkeurigheid van COBE) de variatie zo'n 30 micrograden.

Sinds COBE proberen onderzoekers de kosmische achtergrondstraling in groter detail in beeld te krijgen. Het Boomerang-experiment loopt daarin voorop. Rond de jaarwisseling 1998/1999 vloog deze ballon op 35 km hoogte in 10 dagen langs de 78ste breedtegraad rond Antarctica, daarbij een paar procent van de hemel met gevoelige apparatuur in kaart brengend (zie W&O van 13 maart 1999). Het resultaat is dat de kosmische achtergrondstraling door Boomerang in details van minder dan een graad is gemeten. Er blijkt een piek op te treden: details met zodanige afmetingen dat ze onder een hoek van 0,91 graden aan de hemel te zien zijn vertonen met 69 micrograden de grootste temperatuurvariaties. Het is voor het eerst dat zo'n piek nauwkeurig is gemeten.

inflatie

De precieze ligging en de vorm van de piek hebben alles te maken met de wijze waarop het heelal in elkaar steekt. Ze zijn alleen te verklaren onder de aanname dat het heelal direct na de Oerknal inflatie heeft gekend, waarbij de quantumfluctuaties in het nog zeer kleine heelal razendsnel zijn opgeblazen tot macroscopische afmetingen. Verder wijzen de data op een vlak heelal, waarbij de ruimte op grote schaal niet gekromd is. De aanwezige materie in dat heelal bestaat volgens de Boomerang-onderzoekers grotendeels uit zogeheten donkere materie. Daarnaast zijn de Boomerang-resultaten te rijmen met de aanwezigheid van vacuümenergie. Die laatste vloeit voort uit de eigenschappen van een bepaald type ververwijderde supernova's (Ia) en fungeert als een soort anti-zwaartekracht die het heelal versneld doet uitdijen.

Door toedoen van Boomerang zijn de mogelijke waardes van de parameters die het heelal sturen fors ingeperkt. Metingen bij nog hogere resolutie, bijvoorbeeld met de MAP-satelliet die eind dit jaar COBE zal opvolgen, zullen de kosmologen pas echt de harde getallen in handen geven waar ze al jaren naar snakken.