Sporen van het eerste begin

De expansie direct na de Big Bang veroorzaakte grote rimpelingen in ruimte en tijd. 13,8 Miljard jaar later zien we die zwaartekrachtgolven terug in de kosmische achtergrondstraling.

Amerikaanse wetenschappers zeggen het directe bewijs te hebben gevonden voor de zogeheten kosmische inflatie – een cruciale periode kort na de geboorte van het heelal. Dat bewijs bestaat uit hemelkaarten waarop de vingerafdrukken van ‘gravitatiegolven’ te zien zijn – kleine rimpelingen in de structuur van ruimte en tijd. De ontdekking werd gisteren bekend gemaakt op een persconferentie van onderzoekers van het Amerikaanse Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Als de ontdekking in ander onderzoek wordt bevestigd is ze goed voor een Nobelprijs.

Astronomen denken dat ons heelal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden is ontstaan bij een gebeurtenis die doorgaans simpelweg de oerknal wordt genoemd. Een belangrijk onderdeel van deze oerknaltheorie is de inflatiehypothese.

Volgens deze hypothese, die in 1980 werd geïntroduceerd door de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth, zwol het heelal al tijdens de eerste fractie van een seconde na de oerknal op van iets dat kleiner was dan een atoom tot de grootte van een voetbal. Daarna ging de uitdijing in een veel langzamer tempo verder. Leuk bedacht, en de theorie past ook heel goed bij het beeld dat de wetenschap van het vroege heelal heeft. Maar direct bewijs was tot nu toe niet gevonden.

BICEP2, een speciale telescoop op Antarctica waarmee snapshots worden gemaakt van de kosmische achtergrondstraling, lijkt nu echter de ‘smoking gun’ te hebben gevonden. Al zie je dat aan het resultaat – een kaart met vage vlekken en streepjes – niet onmiddellijk af.

De oorsprong van die kosmische achtergrondstraling wordt ongeveer 380.000 jaar na de oerknal gezocht. Dat is het moment waarop de materie in het heelal genoeg was afgekoeld om atomen te vormen. Voordien was de ruimte gevuld met een dichte mist van losse elementaire deeltjes, die ondoordringbaar was voor licht.

De golflengte van het licht dat destijds bij de inflatie vrijkwam is door de verdere uitdijing van het heelal sterk ‘uitgerekt’ tot microgolven. De zwakke ruis daarvan is de kosmische achtergrondstraling – een soort radiostraling.

Op het eerste gezicht lijkt de kosmische achtergrondstraling gelijkmatig over de hemel te zijn verdeeld. Twintig jaar geleden lieten metingen echter zien dat de ruis kleine variaties vertoont. Blijkbaar was in het vroege heelal het ene plekje een beetje warmer of kouder dan het andere.

De kosmische achtergrondstraling vertoont echter niet alleen temperatuurvariaties. Door haar interactie met de eerste atomen in het heelal werd zij ‘verstrooid’, net zoals het blauwe licht van de zon wordt verstrooid door atomen in de aardatmosfeer. En net als bij het licht van onze blauwe hemel resulteert dat in een verschijnsel dat polarisatie wordt genoemd.

Om te begrijpen wat hiermee wordt bedoeld, moet je weten dat een ‘lichtstraal’ kan worden voorgesteld als een op een neer gaande golf die zich met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde voortplant. Bij de meeste lichtbronnen, zoals bijvoorbeeld de zon, verschilt de richting waarin de golf op en neer gaat van lichtstraal tot lichtstraal. Zulk licht heet ‘ongepolariseerd’.

Voorkeursrichting

Door allerlei oorzaken kunnen lichtgolven echter een bepaalde voorkeursrichting krijgen. In dat geval is het licht ‘gepolariseerd’. Bij gewoon zichtbaar licht is die polarisatie al waarneembaar met zoiets eenvoudigs als een Polaroidzonnebril. In het geval van de zwakke kosmische achtergrondstraling moet je met grover geschut komen en veel geduld hebben.

De polarisatie van de kosmische achtergrondstraling wordt gemeten met telescopen die doorgaans op hoge, droge locaties worden gestationeerd, waar het weer stabiel is – op Antarctica bijvoorbeeld, maar ook in de Atacama-woestijn in Chili.

In 2002 ontdekten wetenschappers met de op Antarctica gestationeerde DASI-telescoop voor het eerst polarisatie in het zwakke signaal van de kosmische achtergrondstraling. In dat geval betrof het een relatief sterke variant die werd veroorzaakt door de verstrooiing van de straling door de eerste atomen in het heelal.

Vorig jaar maakte een ander team, dat gebruik maakt van de South Pole Telescope (SPT), bekend ook een tweede, veel zwakkere component van de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling te hebben gemeten. Dat ging echter om een soort polarisatie die lang na de oerknal is ontstaan. De oorzaak daarvan ligt bij lichtgolven die (vanaf de aarde gezien) vlak langs sterrenstelsels zijn gescheerd en door de zwaartekracht zijn afgebogen.

Kort en heftig

Door die laatste ontdekking nam het vertrouwen onder astronomen toe dat het ook mogelijk zou moeten zijn om het uiterst zwakke polarisatiesignaal te registreren dat door de vermeende inflatie is veroorzaakt. Het ontstaan daarvan wordt toegeschreven aan de gravitatiegolven die tijdens de korte maar hevige periode van supersnelle uitdijing zouden zijn opgewekt.

Het bestaan van zulke golven werd al bijna een eeuw geleden voorspeld door Albert Einstein. Ze zorgen ervoor dat de ruimte op de ene plek wordt samengedrukt en op de andere plek wordt uitgerekt. Als dat effect inderdaad is opgetreden, zou de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling karakteristieke patronen moeten vertonen. En dat zijn precies de patronen die nu zijn ontdekt.

Kosmologen – wetenschappers die zich bezighouden met het ontstaan van het heelal – beschouwen deze ‘vingerafdruk’ van de gravitatiegolven als de heilige graal van hun vakgebied. Er is de afgelopen jaren volop naar gezocht. In die zin komt de ontdekking van het BICEP2-team niet echt als een verrassing. Ze is het resultaat van een wedloop tussen een stuk of tien wetenschappelijke teams, die overigens op allerlei manieren samenwerken.

Of die wedloop nu voorbij is, zal overigens nog moeten blijken. De ontdekkers van het polarisatiepatroon zijn heel zorgvuldig te werk gegaan en tonen zich zeker van hun zaak. Dat hun metingen zijn ‘vervuild’ met gepolariseerde straling van andere bronnen – stofwolken binnen onze Melkweg bijvoorbeeld – kan echter niet helemaal worden uitgesloten.

Met name naar de resultaten van de nieuwe Europese Planck-satelliet die, anders dan BICEP2 de volledige hemel in kaart heeft gebracht, wordt met spanning uitgekeken. Planck werd vooraf gezien als voornaamste kanshebber in de wedloop om de heilige graal van de kosmologie, maar moet – zoals het er nu naar uitziet – genoegen nemen met een zilveren plak.

    • Eddy Echternach