Groeispurt of grote mep

Vorige maand formuleerden kosmologen de theorie dat ons heelal begon met een botsing in een 5-dimensionaal moederuniversum. Maar nieuwe metingen aan het oerlicht steunen de combinatie oerknal plus groeispurt.

Hoe begon het heelal? Met een grote knal gevolgd door een kortstondige razendsnelle groeispurt, luidt al twintig jaar de heersende opvatting. Zo'n veertien miljard jaar geleden, aldus de meeste kosmologen, was er eerst de Big Bang. Direct daarna blies het prille en extreem hete heelal zich gedurende een fractie van een seconde exponentieel snel op, waarna het aan zijn `gewone' uitdijing begon. In die eerste fractie van een seconde werden de aanwezige minuscule quantumfluctuaties `uitgerekt' tot macroscopische dichtheidsvariaties die later zouden uitgroeien tot sterrenstelsels. Deze inflatie-hypothese, die Alan Guth in 1980 als eerste opperde, verklaart waarom het heelal er in alle richtingen zo goed als hetzelfde uitziet en bovendien vlak is. Het laatste wil zeggen dat op grote schaal de ruimte niet gekromd is: een lichtstraal loopt rechtdoor.

De inflatietheorie mag kosmologen dus van enkele levensgrote problemen verlossen , maar dat neemt niet weg dat de experimentele steun voor het idee altijd bijzonder mager is geweest. In zo'n situatie is er ruimte voor alternatieven. Die moeten natuurlijk minstens dezelfde knelpunten oplossen. In de praktijk is dat een lastige opgave. Pas sinds vorige maand ligt er een concurrerende theorie op tafel, opgesteld door vier kosmologen uit het Amerikaanse Princeton en het Britse Cambridge. Het nieuwe model luistert naar de naam ekpyrotisch heelal – Grieks voor `ontstaan uit vuur' en een verwijzing naar kosmologie uit de klassieke oudheid – en is aangeboden aan het tijdschrift Physical Review D.

In surrealisme doet het ekpyrotisch heelal (dat een directe afgeleide is van de onder deeltjesfysici bejubelde én verguisde snaartheorie) niet onder voor de inflatietheorie. Het gaat uit van een moederuniversum met vijf dimensies waarin, evenwijdig aan elkaar, vlakke vierdimensionale zusterheelallen zweven die al dan niet met massa en energie zijn gevuld. Een van die heelallen is het onze (de vierde dimensie is de tijd). Nu gaan vijfdimensionale werelden het menselijk voorstellingsvermogen te boven, maar terugvertaald naar de gewone ruimte van alledag kun je denken aan evenwijdige `tweedimensionale' vellen papier (één daarvan is onze kosmos) die in de driedimensionale ruimte (het moederuniversum) bewegen. Door toevallige fluctuaties botste zo'n parallel heelal, dat voor ons verborgen is omdat we geen toegang tot hogere dimensies hebben, circa 14 miljard geleden tegen het onze aan: de Big Bang als grote mep in plaats van als ontploffing. Uit een deel van de vrijkomende botsingsenergie ontstonden de materie en straling waarmee ons huidige heelal is gevuld.

Scheidsrechter

Het ekpyrotisch heelal mag de brandende vraag oplossen wat er vóór de Oerknal was, zijn bestaansrecht valt of staat met proefondervindelijk te verifiëren voorspellingen. Volgens de betrokken kosmologen moet het mettertijd mogelijk zijn zo'n toetsing uit te voeren. Zowel het ekpyrotisch heelal als dat met inflatie kent zwaartekrachtsgolven, maar dan wel van een verschillend type. Toekomstige detectoren, zo is de hoop, zouden die zwakke rimpelingen in de ruimtetijd kunnen opvangen en aldus voor scheidsrechter kunnen spelen. Maar voorlopig is dat een brug te ver en het is de vraag of het er ooit van zal komen.

Vooralsnog staat de inflatiehypothese er nog het beste voor. Het ekpyrotisch heelal was nog maar net gepresenteerd of de concurrerende inflatiehypothese kon zich verheugen in experimentele ondersteuning. Vorige week kwamen drie onderzoeksteams tijdens een seminar van de American Physical Society (APS) in Washington met meetresultaten die stuk voor stuk overeenkomen met wat de inflatietheorie voorspelt. Het gaat om metingen van fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling, een relict van de oerknal. Dit oudste licht uit het heelal kreeg vrije doorgang toen zo'n 300.000 jaar na de Big Bang het heelal zover was afgekoeld dat materie en straling ontkoppeld raakten en de ruimte transparant werd.

Door de uitdijing van het heelal is dit oerlicht, dat ons uit alle richtingen bereikt, inmiddels afgekoeld tot 2,7 graden boven het absolute nulpunt. Die temperatuur is niet in alle kijkrichtingen precies gelijk: door toedoen van de dichtheidsfluctuaties in het prille heelal zijn er aan de huidige hemelbol koudere en warmere plekken aanwijsbaar, met temperatuurverschillen die tot enkele tientallen micrograden kunnen oplopen. De achtergrondstraling heeft dus een zekere structuur. Nu voorspelt de inflatietheorie, op basis van aanwezige geluidsgolven in het oerplasma, het precieze verband tussen de omvang van de temperatuurvariaties en de grootte van de warmere en koudere plekken. Het komt erop neer dat er een aantal pieken optreedt: bij sommige detailafmetingen op de hemelkaart van de kosmische achtergrondstraling is de temperatuurafwijking maximaal (zie figuur).

Pas sinds enkele jaren zijn de instrumenten om de achtergrondstraling te meten gevoelig genoeg om deze pieken fatsoenlijk in beeld te brengen. Vorig jaar april rapporteerde het internationale Boomerang-team, dat vanuit een ballon boven Antarctica een stukje van de hemel had afgetast, het bestaan van de eerste piek, bij details tweemaal zo groot als de volle maan. Het resultaat klopte fraai met de inflatiehypothese. Nog zonniger werd het voor die theorie toen vorige week zondag in Washington het DASI-team (Degree Angular Scale Interferometer), dat vanaf het dak van het Amerikaanse Zuidpoolstation metingen doet, bekendmaakte ook de tweede en derde piek te hebben waargenomen. Ook Boomerang, zo bleek op het seminar, had deze pieken inmiddels te pakken. De resultaten kwamen netjes met elkaar overeen en opnieuw klopte alles met de inflatietheorie.

Zware waterstof

Een extra controle op de juistheid van de inflatietheorie bestond uit het vergelijken van de hoogtes van de eerste en de tweede piek. Dat levert het aandeel gewone materie in de totale massa en energie van het heelal: 4,5 procent (de rest is `donkere' materie en vacuümenergie die het heelal versneld doet uitdijen). Dit getal stemt goed overeen met de waarde die zich (via een totaal ander theoretisch mechanisme) laat afleiden uit de hoeveelheid zware waterstof (deuterium) die na de oerknal in het heelal ontstond. De voorlopige resultaten van het Amerikaanse Maxima-team, dat eveneens met een ballon werkt, sluiten hier goed bij aan, al is het in dit geval nog veel te vroeg voor harde conclusies.

Al deze nieuwe experimenten hebben de kosmologie getransformeerd van een vak vol theoretische speculatie in experimentele wetenschap op basis van harde feiten. Nieuwe proeven met ballonnen zijn gaande en eind dit jaar brengt de NASA de MAP (microwave anisotropy probe) in een baan om de aarde. Deze satelliet meet nog nauwkeuriger en ziet ook de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling (het vlak waarin de microgolven trillen), een nieuwe vuurproef voor de inflatietheorie.

Op de APS-bijeenkomst in Washington zei Michael Turner, hoogleraar kosmologie aan de Universiteit van Chicago en een van de pioniers van de inflatietheorie, dat een extra pilaar onder de inflatietheorie zou kunnen komen van metingen aan zwaartekrachtsgolven uit de tijd van vóór de kosmische achtergrondstraling (400.000 jaar na de oerknal). In principe kunnen die ook het ekpyrotisch heelal leven inblazen, al zijn er na de euforie in Washington waarschijnlijk weinig kosmologen die daar hun kaarten op zetten. Bovendien: in dat model bestaat altijd het risico van nóg een onverwachte klets tussen ons universum en een parallel zusterheelal.

    • Dirk van Delft