Babyfoto's onder vuur

Metingen aan de achtergrondstraling in het heelal zouden kosmologische eigenschappen als hoeveelheden materie en donkere energie nauwkeurig vastleggen. Maar hoe betrouwbaar zijn die waarnemingen?

Een jaar geleden werden de eerste resultaten bekendgemaakt van de metingen van de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Deze satelliet van de NASA had een jaar lang nauwkeurig de kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht: de straling uit de oertijd van het heelal. Daarmee zouden enkele fundamentele eigenschappen van onze kosmos, zoals de leeftijd en de relatieve hoeveelheden materie en energie, nu heel nauwkeurig bekend zijn. Nieuwe analyses laten echter zien dat deze conclusies wat voorbarig zijn. De bejubelde babyfoto's van het heelal laten waarschijnlijk niet precies zien wat men had gedacht – en gehoopt.

De kosmische achtergrondstraling, ontdekt in 1964, dateert uit de tijd dat het heelal pas 300.000 jaar oud was. In de toen uitdijende, afkoelende zee van atoomkernen, elektronen en fotonen begonnen zich neutrale atomen te vormen, waardoor er een ontkoppeling van materie en straling plaatsvond en het heelal doorzichtig werd. Die straling was toen gammastraling, maar tijdens de verdere uitdijing en afkoeling van het heelal is die overgegaan in microgolfstraling, overeenkomend met een temperatuur van slechts 2,7 graden boven het absolute nulpunt.

oerplasma

Die temperatuur, gemeten aan de hemel, is echter niet overal gelijk. Minieme verschillen, van een fractie van een duizendste graad, wijzen er op dat het oerplasma niet overal even heet was. Sommige gebieden in dit plasma trokken onder invloed van hun zwaartekracht samen en werden wat warmer, terwijl andere door de stralingsdruk expandeerden en wat afkoelden. Deze dynamiek leidde uiteindelijk tot de `kiemen' die zouden uitgroeien tot de huidge structuren in het heelal: sterren, sterrenstelsels en clusters.

Sinds de ontdekking van deze verschillen in de kosmische achtergrondstraling, door de COBE-satelliet in 1992, zijn deze temperatuurverschillen met zowel telescopen op aarde als in de ruimte steeds beter in kaart gebracht. WMAP, die sinds eind 2001 in een baan om de zon draait, zou de voorlopige kroon op dit werk moeten worden. Maar astronomen zijn gaan beseffen dat met het toenemen van de meetnauwkeurigheid ook de invloed van storingsbronnen groter is geworden. De vraag moet gesteld worden of de temperatuurkaarten van WMAP wel alléén betrekking hebben op de situatie in het heelal vóór het ontstaan van sterren en sterrenstelsels.

Zo hebben astronomen afgelopen jaar in de microgolfstraling tekenen van polarisatie ontdekt die ontstaan moeten zijn toen het heelal zo'n 100 tot 400 miljoen jaar oud was. Op allerlei plaatsen in het – toen nog piepkleine – heelal was het neutrale waterstofgas samengetrokken tot structuren waaruit zich de eerste sterren en sterrenstelsels konden gaan vormen. Het overblijvende intergalactische gas werd hierbij verhit en geïoniseerd. Dit leidde niet alleen tot een polarisatie van de kosmische achtergrondstraling, maar moet ook van invloed zijn geweest op de temperatuurverschillen in die straling (Astrophysical Journal Supplement Series, september 2003).

Andere astronomen hebben ontdekt dat vele `warmere' punten op de WMAP-kaarten samenhangen met radiosterrenstelsels en quasars. Op deze punten aan de hemel heeft de WMAP-satelliet dus niet alleen de achtergrondstraling gemeten, maar ook de straling van objecten op de voorgrond geregistreerd. Volgens de Italiaanse astronomen Paolo Giommi en Sergio Colafrancesco blijkt de invloed van met name radiosterrenstelsels veel groter te zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Naarmate we dieper het heelal in kijken, verschijnen er in het blikveld van de WMAP-satelliet méér van deze stelsels. In het januarinummer van Astronomy & Astrophysics laten de twee astronomen zien dat deze zee van voorgrondstelsels in heel kleine gebiedjes aan de hemel temperatuurvariaties veroorzaakt die even groot zijn als die in de `oorspronkelijke' kosmische achtergrondstraling.

heet gas

Niet alleen warmere, maar ook koelere plekken in de microgolfstraling kunnen door objecten op de voorgrond worden gecreëerd. Een groep Amerikaanse astronomen, onder leiding van Charles Bennett van NASA's Goddard Space Flight Center, ontdekte een correlatie tussen zulke koelere plekken en verre clusters van sterrenstelsels. Van zulke clusters is bekend dat ze omringd worden door zeer heet gas. Als fotonen van de achtergrondstraling hier op hun weg naar de aarde doorheen bewegen, worden ze door elektronen verstrooid en krijgen ze een iets hogere energie, ofwel een iets kortere golflengte. Het lijkt dan alsof de intensiteit van de achtergrondstraling op deze punten geringer is en de temperatuur dus lager.

Deze `schaduwwerking' van clusters was in 1969 voorspeld door de Russiche astronomen Rashid Sunyaev en Yakov Zeldovich en werd in 1983 voor het eerst waargenomen door de Britse astronomen Mark Birkinshaw en Thomas Gull. Verscheidene astronomen hadden op grond van theoretisch onderzoek afgeleid dat dit effect slechts weinig invloed op de kosmische achtergrondstraling zou hebben. Ook Bennett en zijn collega's concludeerden afgelopen jaar dat het effect op de temperatuurkaarten van WMAP een 'te verwaarlozen vervuiling' veroorzaakte.

Deze astronomen hadden het Sunyaev-Zeldovicheffect echter alleen over heel kleine hoekjes aan de hemel bestudeerd. Astronomen van de universiteit van Durham, in Engeland, hebben dit effect nu juist over grotere hoeken onder de loep genomen. Tom Shanks en zijn collega's vergeleken de temperatuurdata van WMAP met de posities van duizenden relatief nabije groepen en clusters van sterrenstelsels, op afstanden tussen 1,5 en 2,5 miljard lichtjaar van de aarde.

power spectrum

Uit hun analyses blijkt dat de clusters tot op één graad afstand van hun centrum een koele plek in de achtergrondstraling veroorzaken en misschien wel tot op twee graden. Hun invloed op deze straling is veel groter dan tot nu toe werd gedacht (Monthly Notices R.A.S., 1 februari).

Een van de belangrijkste doelen van de metingen aan de achtergrondstraling is het bepalen van de manier waarop de temperatuurverschillen van die straling als functie van de hoekdiameter aan de hemel veranderen. Dit zogeheten power spectrum levert belangrijke informatie over de geometrie (vorm) en samenstelling van het heelal. Vorig jaar werd bekendgemaakt dat men uit het spectrum van de door WMAP gemeten temperatuurverschillen kon vaststelsellen dat het heelal precies 13,7 miljard jaar geleden was ontstaan en voor driekwart uit `donkere energie' bestond: een mysterieuze energie die de uitdijing van het heelal versnelde. De rest van het heelal bestond uit gewone materie (4%) en donkere, niet stralende materie (23 %).

Astronomen spraken van `een historisch moment'. Parameters waar decennia lang naar was gezocht, zouden nu tot op enkele procenten nauwkeurig bekend zijn. Maar de nieuwe analyses lijken er op te wijzen dat dit moment nog niet is aangebroken. De microgolfstraling uit de oertijd van het heelal heeft zich door veel meer hindernissen heen moeten worstelen dan tot nu toe werd aangenomen en is tijdens die tocht verstoord door processen die samenhangen met het ontstaan en de ontwikkeling van sterren, sterrenstelsels en clusters. De kaarten van WMAP weerspiegelen dus niet alleen de oertijd van het heelal, maar ook de veranderingen die zich daarna in het heelal hebben voorgedaan. Het `originele' patroon van de temperatuurverschillen in de kosmische achtergrondstraling is waarschijnlijk moeilijker uit de `babyfoto's' van het heelal af te leiden en over de hoeveelheden materie en energie in het heelal zal het laatste woord voorlopig nog niet zijn gesproken.

Gerectificeerd

Capgras, kadabba, gamma

In de W&O-bijlage van vorige week (6 maart) zijn in twee stukken namen verkeerd gespeld en in een andere twee soorten straling verwisseld.

De achtergrondstraling in het artikel `Babyfoto's onder vuur' bestond niet zoals vermeld uit gammastraling, maar uit zichtbaar licht.