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.