De gevlekte gloed van de oerknal

Kosmologie

Op 21 maart, Big Bang Day, onthulde het team achter de Europese Plancksatelliet de nieuwe kaart van de gloed van de oerknal. Hoe zat het ook weer met die oerknal? Wat is de gloed ervan? En wat leert de nieuwe kaart daarover?

Planck-kaart, 21 maart 2013 ESA

Honderd jaar geleden had geen astronoom nog van de oerknal gehoord. Dat de aarde ongeveer vijf miljard jaar oud was, was uit geologische studies wel bekend. Maar de leeftijd van de zon en van andere sterren was een raadsel. Waren ze er altijd geweest? Hadden ze geen begin of einde, net zoals de kosmos zelf?

Een eeuw geleden schatten astronomen het heelal ook veel kleiner in dan tegenwoordig. Ze wisten dat de zon behoort tot de enorme verzameling sterren die samen het Melkwegstelsel vormen. Maar dat zich daarbuiten tot wel honderd miljard andere sterrenstelsels bevinden, vermoedde niemand.

Dat inzicht drong pas in de jaren twintig van de vorige eeuw door. Sterker, toen liet Edwin Hubble óók zien dat al die verre sterrenstelsels zich van de aarde af lijken te bewegen. De ruimte rekt op als een rijzend krentenbrooddeeg, zo bleek, en de sterrenstelsels wijken uiteen zoals de krenten in dat rijzende deeg doen.

Maar als je de film van zo’n uitdijend heelal achterstevoren afspeelt, dan krimpt het. Totdat een punt wordt bereikt, waaruit de kosmos kennelijk is ontstaan. De Big Bang noemde de Britse astronoom Sir Fred Hoyle dat punt – maar hij deed dat omdat hij niks van het idee geloofde.

Oerknalaanwijzingen

Het duurde even voordat meer aanwijzingen voor die oerknal opdoken. In de jaren 40 van de vorige eeuw werd duidelijk dat sterren een eindig leven hebben, met een begin en een eind. Datzelfde zou voor de kosmos kunnen gelden – al hoefde dat natuurlijk niet.

Het hart van sterren, zo bleek verder, fungeert als een fabriek die de lichte elementen waterstof en helium omzet in zware elementen als stikstof, zuurstof, koolstof, ijzer enzovoorts. Waterstof en helium zelf moesten dus al eerder zijn ontstaan: misschien wel uit het gloeiendhete plasma dat het kleine, compacte heelal kort na de oerknal vulde. Maar dat hoefde niet.

Het idee van de oerknal werd pas serieus genomen na een derde, toevallige ontdekking in 1964. Toen vingen Arno Penzias en Robert Wilson geheimzinnige straling op die in gelijke mate uit alle richtingen uit de kosmos kwam. Het moest, concludeerden astronomen, de ‘gloed van de oerknal’ zijn.

In de decennia erna maakten twee satellieten kaarten van die ‘kosmische achtergrondstraling’. COBE (COsmic Background Explorer) deed dat in 1992. “Als je religieus was, zou je zeggen dat je God in het gezicht keek”, zei Nobelprijswinnaar George Smoot, een van de onderzoeksleiders van COBE, toen (bovenste plaat).

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) maakte daarna in 2003 een kaart (middelste plaat). De kaart die afgelopen donderdag door het team van de Europese Planck-satelliet werd onthuld (de onderste), overtreft die eerdere kaarten in precisie.

De gloed van de oerknal

Wat is er op de kaarten te zien? Wat is die gloed van de oerknal? Indirect tonen de kaarten het eerste licht dat 380.000 jaar na de oerknal door de kosmos reisde. Het heelal was toen duizend keer kleiner dan nu, en het was er zo’n 3.000 Kelvin, ofwel ruim 2.700 graad Celsius.

Heet dus. Maar koel genoeg om neutraal waterstof en helium te laten ontstaan uit het gloeiend hete en ondoorzichtige plasma waarmee de kosmos gevuld was sinds die zo groot was als een sinaasappel. Dat ijle gas hinderde het licht niet langer. De kosmos was doorzichtig geworden en voor het eerst kon licht vrij reizen.

Terwijl de kosmos verder afkoelde en uitdijde, rekten die eerste lichtgolven automatisch mee. Zo transformeerden ze tot de lange microgolven die door Penzias en Wilson en hun opvolgers uit alle richtingen in de kosmos worden opgepikt.

Hun huidige golflengte geeft de temperatuur weer in de lege ruimte in het huidige, afgekoelde heelal: 2,7 Kelvin. Je zou kunnen zeggen dat COBE, globaal, en WMAP en Planck, in (veel meer) detail, de temperatuur van de kosmos opnamen.

De fijne spikkels corresponderen dus met minieme temperatuurvariaties (het maximaal gemeten verschil is 200 miljoenste graad) en dat geeft informatie: op de warmere plekken zat in het ‘oerheelal’ net wat meer materie opeengepakt. Dat zijn dus de beginnetjes van latere sterrenstelsels met sterren en planeten. Maar uit het spikkelpatroon vloeit meer informatie over de vroege kosmos voort.

De Planckresultaten

Het mooiste aan de nieuwe kaart is misschien wel dat het patroon erin klopt met het model dat kosmologen van de vroegste stadia van de kosmos hebben gemaakt. De variaties zouden toen al, vlak na de oerknal, zijn ontstaan uit zogeheten quantumfluctuaties op de kleinste afstandsschaal – de Planckschaal die vernoemd is naar fysicus Max Planck (1858-1947). Tijdens een proces dat inflatie wordt genoemd en waarin het heelal sneller dan het licht uitdijde van sinaasappelformaat tot iets enorms, zouden de minieme rimpelingen zich daarna over gigantische gebieden hebben uitgestrekt – en de kaart steunt die gedachte.

Kosmologen hebben tot slot ook de samenstelling van de kosmos nauwkeuriger kunnen vaststellen. Die bestaat volgens de laatste inzichten voor 68,3 procent uit onbekende donkere energie (dat was 72,8 procent). Voor 26,8 procent uit geheimzinnige donkere materie (dat was 22,7 procent). En voor 4,9 procent uit de ‘gewone’ bekende materie die de grondstof is voor sterren en planeten zoals de aarde (dat was 4,5 procent).

Op de dag die door atheïsten tot Big Bang Day is uitgeroepen (21 maart), is de kosmos dus 0,4 procent minder onbekend geworden.