De babyfoto van ons heelal

De vorige blog ging over de kosmische achtergrondstraling: een zwakke gloed van microgolfstraling die afkomstig is van het laatste licht van de oerknal. Dat was oorspronkelijk zichtbaar licht dat, toen het heelal 380.000 jaar na de oerknal ineens doorschijnend werd, rond is gaan zwerven door het heelal. Dat licht is nu al 13,34 miljoen jaar onderweg en door het Doppler effect zo sterk 'roodverschoven' dat het buiten de het golflengtebereik dat onze ogen waar kunnen nemen is beland. Maar met een radiotelescoop is het signaal nog aan te tonen als een zwakke ruis die op elke plek aan de hemel te horen valt.

De afgelopen jaren zijn veel pogingen gedaan om die achtergrondstraling heel precies te meten. Het blijkt dat we op die manier niet alleen meer te weten kunnen komen over het allereerste begin van het heelal, maar ook over de verre toekomst. De kosmische achtergrondstraling vormt op die manier een soort vingerafdruk van het heelal. Maar wat verwachten we eigenlijk te kunnen zien als we in detail naar die achtergrondstraling kijken?

Zoals gezegd zien we feitelijk het heelal (of een deel ervan, eigenlijk) zoals dat 380.000 jaar na de oerknal eruit zag. Nu lijkt 380.000 jaar best wel lang, maar als je weet dat het heelal 13,72 miljoen jaar oud is en zelfs het leven op aarde al zo'n 4 miljard jaar bestaat, dan is duidelijk dat we het hier echt hebben over een baby-foto van het heelal. Misschien is het zelfs beter om het te zien als een baarmoeder-echo van het heelal, want lijken op het huidige heelal deed het nog lang niet: er waren op dat moment nog geen planeten, sterren en melkwegstelsels maar alleen heet gas zover het oog rijkt. Maar wat we wel weten is dat uit dat hete gas een paar miljoen jaar later wel die sterren en sterrenstelsels zijn ontstaan. Dat gebeurt doordat bepaalde delen in die gaswolk onder hun eigen zwaartkracht in elkaar zijn gaan storten. De eerste voorzichtige tekenen van die instorting zouden in die hete gaswolk al zichtbaar moeten zijn: bij het instorten wordt het gas in plaatselijk elkaar gedrukt waardoor het opwarmt. Dat betekent dat ook in die oerknalstraling al gebieden aan de hemel te zien moeten zijn die net iets meer straling afgegeven dan andere delen. Het gaat dan echt om minieme verschillen die alleen vanuit de ruimte of heel hoog in de atmosfeer (met een ballon) te meten zijn.




Lancering van de Boomerang microgolftelescoop aan
een stratosfeerballon op Antarctica.

Maar hier doet zich nog iets vreemds voor. Dit heeft er mee te maken dat ook de zwaartekracht zelf zich niet sneller dan met de lichtsnelheid door het heelal kan verspreiden. Stel nu dat er zich in die hete gaswolk van 380.000 jaar na de oerknal een soort 'klont' bevindt met iets meer gas dan gemiddeld. En dat die klont een afmeting heeft van bijvoorbeeld een miljoen lichtjaar. De zwaartkracht van het midden van de klont heeft dan inmiddels 380.000 lichtjaar afgelegd maar daarbij de buitenrand van de klont nog niet bereikt. Ofwel de klont heeft zelf nog niet door het een een klont is. Dit staat informeel bekend als het 'Roadrunner-Coyote' effect, die immers ook een talent had om het effect van de zwaartkracht nog even uit te stellen... De grootste klonten die al wel begonnen zijn met in te storten hebben dan dus een afmeting in de orde van 380.000 lichtjaar. De afstand van ons tot de gaswolk is 13,38 miljard lichtjaar. Met wat eenvoudige mildelbare-school-goniometrie en een gewoon rekenmachientje kan je dan uitrekenen dat die grootste klonten aan de hemel een afmeting van ongeveer anderhalve graad zouden moeten hebben.

Het 'Roadrunner-Coyote' effect: je stort pas naar beneden op het moment dat je door hebt dat je een klont
in een zwaartekrachtveld bent....

Maar dat is nog niet het hele verhaal. Daarvoor moeten we terug naar de oorsprong van de oerknaltheorie, naar het werk van een zekere Einstein nadat hij zijn grootste levenswerk - de algemene relativiteitstheorie - had voltooid. De kern van de relativiteitstheorie is dat ruime en tijd niet los van elkaar kunnen worden beschouwd maar samen een vierdimensionaal ruimtetijd continuum vormen. Voorwerpen die door de ruimte bewegen volgen in principe rechte lijnen door die ruimtetijd. Maar voorwerpen die 'massa' hebben blijken de ruimtetijd ook te vervormen, een beetje zoals een circusacrobaat die in het vangtnet de vorm van het net verandert. Andere voorwerpen die nog steeds vanuit hun eigen optiek in een rechte lijn door die gekromde ruitme bewegen blijken voor een externe waarnemer geen rechte lijn meer te volgen maar een gekromde. We interpreteren dat als een kracht: de zwaartekracht van het voorwerp dat die ruimte vervormt.

De eerste toepassingen van de relativeittheorie waren 'lokale' problemen: het verklaren van een kleien afwijking in de baan van de planeet Mercurius, of het afbuigen van licht van de sterren als dat vlak langs de zon beweegt zoals zichtbaar te maken bij een zonsverduistering. Maar  je kan dezelfde theorie ook loslaten op het heelal als geheel: de vorm van de ruimtetijd bepaalt hoe de materie (of energie, wat volgens Einstein twee kanten van dezelfde medaille zijn) zich verdeelt over die ruimtetijd. Maar die verdeling van materie over ruimtetijd verandert op zijn beurt weer de vorm van der ruimtetijd. Het levert kortom een behoorlijk lastige wiskundige vergelijking op. Er blijken echter wel (wiskundige) oplossingen te zijn waarin de vorm van de ruimtetijd én de verdeling van energie/materie daarbinnen wel degelijk met elkaar te verenigingen zijn. Zo'n oplossing noemen we een heelalmodel. Omdat zo'n heelalmodel de hele ruimtetijd en de verdeling van materie daarbinnen omvat zegt het dus ook hoe binnen zo'n model het heelal begonnen is en hoe het uiteindelijk zal eindigen. Als we er van uit gaan dat de algemene relativiteitstheorie klopt (in die zit nog steeds heel stevig in het zadel) dan moet ons eigen heelal overeen komen met één van die heelalmodellen. Maar we weten niet met welke. Maar door te kijken wat zo'n heelalmodel voorspelt - bijvoorbeeld over zo'n babyfoto van het heelal in de vorm van de kosmische achtergrondstraling - en dat te vergelijken met wat we waarnemen kunnen we er misschien achter komen welk heelalmodel overeenkomt met ons heelal. En dan weten we ook hoe ons heelal begonnen is en hoe het ooit zal eindigen.

Heelalmodellen die uitgaan van een oerknalscenario blijken te verdelen zijn in drie categorieen. Welke categoerie van toepassing is wordt dan bepaald door de hoeveelheid massa/energie in dat heelal. Als er veel massa in heelal aanwezig is, maakt deze de structuur van de ruimtetijd op grote schaal als het ware bolvormig. We spreken dan van een 'gesloten heelal'. Een dergelijk heelal begint met een oerknal en zwelt daarna op te een maximale afmeting, waarna het weer begint in te storten en uiteindelijk in in omgekeerde 'big bang' eindigt: de 'big crunch'. De meetkunde van een gesloten ruimtetijd is vergelijkbaar met die op een bol: parallelle rechte lijnen buigen overe grote afstanden naar elkaar toe. Datzelfde heb je bijvoorbeeld op het aardoppervlak: als twee personen vanaf verschillende punten op de evenaar exact naar het noorden gaan lopen dan lopen ze aanvankelijk parallel. Maar zelfs al blijven ze perfect de rechte lijn richting het noorden lopen, uiteindelijk komen ze elkaar op de noordpool tegen!



Afmeting in de loop van de tijd voor een open,
een vlak en een gesloten heelal

De omgekeerde situatie is een zogenaamd 'open heelal' waarbij er te weinig massa in het heelal is om de expansie van ruimte terug te buigen. Een dergelijk heelal zal altijd blijven uitdijen, waarbij de afstand tussen de sterrenstelsels steeds groter wordt tot ze uiteindelijk helemaal uit het zicht verdwijnen. De meetkundige structuur in een dergelijk heelal is precies andersom: parallelle lijnen gaan op den duur van elkaar weg lopen!

Tot slot is er nog een tussenvorm: het 'vlakke heelal'. Dit heelal heeft precies genoeg massa om de expansie te stoppen, maar heeft daar wel oneindig veel tijd voor nodig. De meetkunde van dit heelal is die van het platte vlak zoals je die op de middelbare school krijgt: parallelle lijnen blijven ook over grote afstanden precies parallel lopen en houden dezelfde onderlinge afstand.

 Die verschillen in metriek hebben ook gevolgen voor hoe verre objecten in het heelal er uit zien: de kromming van de ruimte werkt als een soort van lens! Als de zichtlijnen van elkaar af buigen zoals in een open heelal dan lijken verre obejcten daardoor kleiner dan ze werkelijk zijn. In een gesloten heelal is het weer net omgekeerd: verre objecten worden juist uitvergroot. In een vlak heelal is het zoals we het uit de dagelijkse ervaring kennen (de ruimte is in elk geval op de schaal van ons zonnestelsel behoorlijk vlak): verre objecten lijken niet groter of kleiner dan ze werkelijk zijn.




De metriek van het heelal wertk als een soort lens: in het gesloten heelal links ziet de waarnemer verre structuren groter dan ze werkelijk zijn. In het opn heelal aan de rechterkant is het net omgekeerd. In een vlak heelal is het beeld niet vervormd.

Uiteindelijk kunnen we dan toch terugkeren in het verhaal waarmee we begonnen zijn: de microgolfstraling van de oerknal. We hadden even snel uitgerekend dat we daar klonten in zouden kunnen zien met een afmeting aan de hemel van ongeveer 1 graad. Maar dat is voor een vlak heelal! In een open heelal zou de structuur kleiner moeten zijn dan 1 graad en in een gesloten heelal juist weer groter dan die ene graad.

En wat blijkt: er zijn inderdaadheel zwakke structuren zichtbaar met een afmeting van bijna precies één graad. De babyfoto van ons heelal lijkt ons dus te leren dat we in een 'vlak' heelal wonen. Wat dus ook betekent dat het heelal niet in een 'big crunch' zal eindigen maar in principe zelfs oneindig lang kan blijven bestaan.

Kunnen de cosmologen nu allemaal opgelucht met vervroegd pensioen? Helaas: nee... Door deze meting is er namelijk weer een ander probleem aan de oppervlakte gekomen: de ontbrekende massa. Het is immers de hoeveelheid massa in het heelal die uiteindelijk bepaalt of het heelal open, gesloten of vlak is. We weten nu dat het heelal vlak is en dus ook hoeveel massa er zou moeten zijn. Maar als we alle planeten, sterren, sterrenstelsels en wat me nog meer aan de hemel zien bij elkaar optellen komen we misschien aan misschien 5% daarvan. Dus 95% van het heelal is nog zoek!!! En als dat geen probleem is dan is eigenlijk niets meer een probleem. Dus daar gaan we volgende keer eens flink in graven...


In de bovenste helft van dit plaatje staan de structuren in de kosmische achtergrondstraling zoals waargenomen
door het Boomerang experiment. De onderste drie zijn computermodellen van wat we zouden verwachten in (van links naar rechts) een gesloten, vlak en open heelal. Hieruit blijkt dat we hoogstwaarschijnlijk in een 'vlak' heelal wonen.

Voor wie nog meer te weten wil komen over dit ondewrwerp: zie ook de fantastische publiekslezing de Professor Robert Dijkgraaf eerder gaf in 'De Wereld Draait Door' onder de titel 'De Oerknal': http://dewerelddraaitdoor.vara.nl/media/93392







De meest nauwkeurige 'baarmoeder echo' ooit van het heelal  over de complete hemel, gemaakt met metingen gedurende zeven jaar van de WMAP satelliet. Ook deze waarnemingen bevestigen dat ons heelal vlak is.

Terugkijken naar de oerknal, kan dat?

In een vorige blog heb ik het over de ‘Hubble Ultra Deep Field’ gehad: door de Hubble ruimtetelescoop langdurig op hetzelfde stukje hemel gericht te houden, konden we opnames maken van sterrenstelsels zoals ze er meer  dan 10 miljard jaar geleden uitzagen. Immers: hoe verder je weg kijkt, des te langer is het licht naar jou onderweg geweest. Dus als je steeds verder weg kijkt, kijk je ook steeds dieper het verleden in. Een waanzinnig interessante vraag is dan: zou je op die manier ook helemaal terug kunnen kijken naar het begin van tijden? Zou je zelfs de oerknal nog kunnen zien, als je maar ver genoeg weg kijkt?

In theorie zou dat inderdaad kunnen: als je 13,72 miljard lichtjaar weg kan kijken, zou je licht kunnen zien dat 13,72 miljard jaar onderweg is geweest en dus is vertrokken ten tijde van de oerknal. Er zijn echter twee problemen!

Het eerste probleem is dat het licht van de oerknal om jouw oog (of dat van een telescoop) te bereiken ongehinderd door de ruimte moet kunnen reizen. In het huidige heelal is dat geen probleem: licht kan miljarden lichtjaren afleggen zonder noemenswaardig afgezwakt te worden. Maar direct na de oerknal was dat anders: het heelal bestond nog niet uit sterren maar uit een extreem heet gas. Zo extreem heet zelfs, dat zich nog geen atomen konden vormen. In een normaal atoom bestaat uit een negatief geladen elektronenwolk die een positief geladen atoomkern vergezelt. Maar in zeer heet gas gaan de elektronen hun eigen weg en vormt zich een  zogenaamd plasma. De atmosfeer van de zon en bliksemontladingen zijn plasma’s. En tegenwoordig zijn er zelfs TV’s die met plasma’s werken.

Zo’n plasma is helemaal niet doorzichtig maar een grote gloeiende mist. Lichtdeeltjes die bij de oerknal vrijkwamen werden in die mist voortdurend geabsorbeerd en weer opnieuw uitgestraald. En dat ging zo’n 380.000 jaar lang door.

De eerste 380.000 jaar was ons heelal een gloeiend maar ondoorzichtig plasma.
Dit is trouwens niet ons heelal maar een lamp!

Gedurende die 380.000 jaar dijde het heelal steeds verder uit, en daarbij koelde het gas steeds verder af; er was op dat moment een oranjerode mistige gloed in het heelal. En toen ineens was het gas zo ver afgekoeld dat de elektronen zich gingen binden aan de atoomkernen. Vrij plotseling werd het heelal ineens volledig doorzichtig. En de oranjerode lichtdeeltjes die zo’n 380.000 jaar na de oerknal toevallig onderweg waren in het plasma, werden ineens niet meer geabsorbeerd. En zelfs nu nog vliegen ze door ons heelal.

We kunnen dus niet helemaal terugkijken naar de oerknal zelf, maar wel tot het moment dat het heelal doorzichtig werd, 380.000 jaar later. Toch kunnen we geen oranjerode gloed aan de hemel zien. Dat komt door het andere probleem: het Dopplereffect.

Het Dopplereffect heeft betrekking op als een bron die golven uitzend tevens beweegt. Bijvoorbeeld geluidsgolven maar ook lichtgolven.  Het zegt daarbij dat als de bron van de golf van je af beweegt, je een langere golf lijkt waar te nemen dan als de bron stil zou staan. Geluid krijgt dan een lagere toonhoogte, wat je duidelijk kan horen al bijvoorbeeld als ambulance vlak langs je rijdt. En licht schuift op naar de rode kant van het spectrum. Maar het licht wat ons nu pas bereikt van vlak naar de oerknal, is uitgestoten door  gas dat niet een klein beetje van ons af beweegt, maar dat met bijna de snelheid van het licht doet. Daardoor is ook het Doppler-effect op dat licht extreem. De oranje-rode gloed van de oerknal is daardoor via rood naar het golflengtebereik dat onze ogen niet meer kunnen waarnemen: langs het infra-rood en uiteindelijk is het in het radiogebied terechtgekomen in de vorm van microgolfstraling (die we trouwens ook kennen van de magnetron, waar we onze prakjes in opwarmen). 

In de jaren 60 van de vorige eeuw waren de geleerden er al wel van overtuigd dat als de oerknaltheorie klopte, er zoiets als een zwakke achtergrondstraling zou moeten zijn. Die zou qua karakteristiek overeen moeten komen met warmtestraling zoals die uitgestraald wordt door een voorwerp dat net iets warmer is dan het absolute nulpunt. Om van warmtestraling te spreken is dan misschien wat overdreven, want die straling is maar een heel zwakke ruis in het radiogebied. Tegelijkertijd waren er al voorzichtige ideeën dat deze straling misschien met een moderne radiotelescoop wel aantoonbaar zou kunnen zijn. Maar omdat er technisch nogal wat haken en ogen aan zaten, had niemand nog een poging gewaagd.

Penzias,Wilson en hun radiotelescoop

Het was dus bij toeval dat twee techneuten, de heren Penzias en Wilson van Bell Laboratories op zeker moment achterkwamen dat er iets raars aan de hand was met de radiotelescoop die ze aan het inregelen waren. Ze waren helemaal niet met sterrenkunde of cosmologie bezig maar met communicatie: er werd in die tijd geëxperimenteerd met een satelliet in de vorm van een enorme oplosbaasbare ballon. Het idee was dat deze radiosignalen kon reflecteren zodat je hem kon gebruiken om via de ruimte signalen tussen continenten uit te wisselen (nu gemeengoed, maar toen nog heel nieuw). Dat gereflecteerde signaal was echter maar heel zwak, dus Penzias en Wilson deden er alles aan om de ruis in hun ontvanger terug te dringen. Zo hadden ze hun ontvanger met vloeibaar helium gekoeld tot maar een paar graden boven het absolute nulpunt om de zogenaamd thermische ruis te onderdrukken.  Ze deden allerlei metingen om vast te stellen hoeveel ruis alle componenten veroorzaakten in het signaal, maar zodra ze ze alles weer op elkaar aansloten dat was er op de één of andere manier meer ruis dan de som van de delen. Daarbij maakte het absoluut niet uit op welk punt aan de hemel ze de telescoop richten, dus de logische conclusie leek dat de ruis niet uit het heelal kwam maar ergens uit de telescoop of de ontvanger. Ze verjoegen de duiven die de telescoop als nest gebruikten en verwijderden ‘een witte dielektrische stof’ (lees: duivenpoep) maar ook dat bood geen soelaas. Tenslotte bleek er toch maar één mogelijke conclusie over: de ruis kwam toch uit het heelal, maar kwam overal vandaan en niet van een specifiek object aan de hemel.  

Zonder het te beseffen hadden Penzias en Wilson het signaal van de oerknal ontdekt, wat ze later zelfs nog een Nobelprijs opleverde ook! De straling bleek trouwens overeen te komen met de warmtestraling van een voorwerp met een temperatuur van 2,74 graden boven het absolute nulpunt (ofwel 2,74 graden Kelvin, ofwel -270 graden Celsius))

1% van de ruis op deze TV is afkomstig
straling van vlak na de oerknal

Een leuk weetje: ook ongeveer 1% van de ruis op een televisie die is aangesloten op een antenne maar niet is afgestemd op een zender (of niet op de zendmast gericht is) is ook afkomstig van diezelfde ‘oerknal’ straling. Als je vroeger dus wel eens sneeuw op het beeldscherm zag, zat je dus ook een klein beetje naar de oerknal te kijken. Dat is natuurlijk interessanter dan menig televisieprogramma!

Het bestaan van die ‘2,74 graden Kelvin achtergrondstraling’ of ‘kosmische achtergrondstraling’ is ook tegenwoordig nog één van de belangrijkste bewijzen voor de oerknaltheorie. De afgelopen twintig jaar is er echter veel extra onderzoek gedaan naar de kosmische achtergrondstraling. Omdat magnetronbezitters weten dat microgolfstraling vooral goed wordt geabsorbeerd door water, moet je die straling eigenlijk waarnemen op een plek waar er geen waterdamp is tussen je telescoop en datgene wat je wilt waarnemen. Verreweg de meeste waterdamp zit daarbij in onze eigen dampkring. Microgolftelescopen staan dus op hoge, droge bergtoppen, hangen aan stratosferische ballonen of worden zelfs de ruimte in geschoten. De resultaten daarvan zijn opzienbarend en geven spectaculaire nieuwe inzichten in de aard van ons heelal, waarvan we ook op dit moment nog niet alles begrijpen. Maar daarover volgend keer meer!

Lancering van de Boomerang microgolftelescooop
aan een stratosferische ballon op Antarctica.
De telescoop staat boven op de truck rechts.