 |
| De BICEP-2 telescoop op de zuidpool |
Het resultaat was heel wonderlijk: Er was precies één sterrenstelsel dat op ons af kwam en dat is onze naaste buurman, het Andromeda sterrenstelsel. Alle andere sterrenstelsels bewegen allemaal van ons vandaan. En nog vreemder: ze bewegen sneller van ons vandaan naarmate ze al verder weg staan. Het hele heelal leek wel van ons weg te vluchten!
De beste verklaring kwam in 1931 van de Belgische monnik George Lemaitre. Hij liet zien dat wanneer je de toen nog vrij nieuwe relativiteitstheorie van Albert Einstein toepaste op het complete heelal, het bleek dat het heelal in zijn geheel kon uitdijen.Dat kon precies het waargenomen effect van de 'wegvluchtende' sterrenstelsels verklaren. De gevolgen waren wel heel bijzonder: het heelal was ooit in het verleden heel compact geweest. Lemaitre noemde dit het 'oeratoom', waarbij hij trouwens halstarrig weigerde om daar theologische zaken uit te concluderen. Bovendien was het het heelal ooit begonnen op 'een dag zonder gisteren': er was een begin aan ruimte en tijd zelf! De sterrenkundige Fred Hoyle, die geen aanhanger was van deze theorie, bedacht in 1950 de term 'Big Bang' ofwel 'Oerknal' met het doel om deze belachelijk te maken. Grappig genoeg is de theorie nu niet meer omstreden maar is zijn scheldnaam wel blijven hangen,
De oerknal theorie is zo populair omdat het meerdere zaken perfect verklaart: ten eerste natuurlijk die van ons wegvluchtende sterrenstelsels. Ten tweede de samenstelling van het 'oergas': na de oerknal was de temperatuur en dichtheid tijdens de oerknal een paar minuten zo hoog dat er kernfusie optrad (zoals nu in het centrum van de zon), waarbij waterstof werd omgezet in helium. De oerknaltheorie voorspelt dat na de oerknal een gas ontstaat dat voor 80% uit waterstof en voor 20% uit helium en een heel klein beetje lithium bestaat, en dat klopt precies met de metingen aan gaswolken tussen de sterren. Ten derde voorspelt de theorie dat er over de hele hemel een zwakke nagloed van de oerknal is te zien zou moeten zijn. Die gloed heeft een oorsprong op een moment zo'n 380.000 jaar na de oerknal. Op dat moment was het gas van de oerknal precies zo ver afgekoeld dat losse elektronen zich aan losse protonen konden gaan binden en zo waterstofgas gingen vormen. Hierdoor werd het heelal ineens doorzichtig en de lichtdeeltjes van de toen nog aanwezige hittegloed bewegen nu nog steeds door het heelal. Door de uitdijing van het heelal zijn die lichtdeeltje echter zelf ook steeds verder opgerekt en de golflengte is daarbij toegenomen tot die van microgolfstraling. Pas in 1964 werd die microgolfstraling ook inderdaad (maar wel per ongeluk trouwens) aangetoond.
Maar de oerknaltheorie had ook een paar serieuze problemen. Een aantal zaken kon het niet goed verklaren: ten eerste zouden zich volgens de oerknaltheorie geen sterrenstelsels moeten vormen omdat het gas op grote schaal heel homogeen verdeeld zou zijn. Het heelal zou dan dus een saaie ijle gaswolk moeten zijn en dat is gelukkig niet zo. Ee tweede probleem zat hem in diezelfde achtergrondstraling: die is heel erg precies gelijk aan alle kanten van de hemel. Alle delen van het universum lijken wat we noemen in 'thermodynamisch evenwicht' te zijn, maar dat kan eigenlijk alleen als ze onderling energie hebben kunnen uitwisselen. Maar sommige delen staan zo ver uit elkaar dat ze eigenlijk nooit contact met elkaar gehad kunnen hebben, dus dat is vreemd. Het derde probleem is dat het heelal 'vlak' is waarmee we bedoelen dat de dichtheid van materie in het heelal precies genoeg lijkt te zijn om de uitdijing uiteindelijk af te remmen tot nul. Op zich is dat al opmerkelijk, maar het wordt nog opmerkelijker als je weet dat elke afwijking van de vlakheid van het heelal de neiging heeft om zichzelf te versterken. En het heelal is al miljarden jaren oud. Het is alsof we een potlood zien staan dat bijna 14 miljard jaar nog steeds op zijn punt balanceert. Zo moet ook het heelal vlak na de oerknal dus onwaarschijnlijk vlak zijn geweest.
In 1981 kwam Alan Guth met een opmerkelijke aanpassing op de oerknaltheorie die zowaar al deze problemen kon oplossen: hij stelde dat er een korte periode heel vlak na de oerknal is geweest waarin het heelal nog heel veel sterker was uitgedijd: de inflatietheorie. In extreem korte tijd (ongeveer 0,000000000000000000000000000000000001 seconde) zou het heelal ongeveer 1000000000000000000000000000000 keer zo groot zijn geworden. Hoe dat precies gebeurd is kon hij helaas niet zeggen, maar lijkt mogelijk dat een kwantumeffect iets dergelijks zou kunnen doen door tijdelijk de zwaartekracht om te keren. Het gevolg van een dergelijke inflatie zou wel opmerkelijk zijn: delen van het heelal die ooit dicht bij elkaar hadden gelegen werden ineens ver uit elkaar getrokken, wat de uniformiteit van het zichtbare heelal en de achtergrondstraling kan verklaren. De omgekeerde zwaartekracht van de inflatie maakte bovendien het heelal juist steeds vlakker, zodat het na de inflatie vrijwel perfect vlak was. Tenslotte vergrootte de inflatie allerlei kwantumfluctuaties naar kosmische afstanden, zodat er dichtheidsvariaties ontstonden die het zaaigoed waren voor het ontstaan van clusters en sterrenstelsels. Alle problemen met de oerknaltheorie waren dan dus in één keer opgelost!
 |
| De tijdslijn van de oeknal, inclusief inflatie en zwaartekrachtgolven. |
Kortom een mooie theorie, maar is hij ook waar? Zijn er andere zaken die de inflatietheorie voorspelt die je zou kunnen meten? Jawel: zwaartekrachtgolven. De enorme uitdijing zou volgens de relativiteitstheorie van Einstein tot ook enorme golven moeten hebben geleid in tijd en ruimte. Dat laat zich lastig voorstellen, maar lichtdeeltjes die normaal ongestoord door de ruime bewegen hebben wel 'last' van deze golven. Zo kunnen ze door die golven gepolariseerd raken (zoals licht ook gepolariseerd kan raken door reflectie op het water). Nu was tijdens de inflatie het heelal nog niet doorzichtig, dus dat licht is al verdwenen en kunnen we niet meer zien. Maar toen het heelal 380.000 jaar later ineens doorzichtig werd waren die zwaartekrachtgolven nog niet helemaal tot rust gekomen. Kortom: ook in de microgolf-achtergrondstraling zouden we misschien nog polarisatie-effecten kunnen zien die veroorzaakt zijn door zwaartekrachtgolven, die op hun beurt ontstaan zijn tijdens de inflatieperiode vlak na de oerknal.
En precies dat lijkt nu waargenomen te zijn: de theorie voorspelt draaikolkachtige structuren in de polarisatierichting (B-mode polarisatie genoemd) van de microgolf achtergrondstraling van het heelal. In het onderstaande plaatje dat vorige week gepubliceerd is lijken dat soort structuren inderdaad zichtbaar: de zwarte streepjes (polarisatierichting) vormen hier en daar een soort draaikolken rond de koude (blauwe) en warme (rode) gebieden in de achtergrondstraling, zoals bijvoorbeeld middenboven in het plaatje.
Als het allemaal klopt betekent het nogal wat. Allereerst is het dan de eerste keer dat het bestaan van zwaartekrachtgolven is aangetoond, wat alweer een extra bewijs zou zijn voor de relativiteitstheorie van Einstein. Daarnaast krijgen we informatie over de allereerste split-second na het ontstaan van het heelal: de mate van polarisatie geeft informatie over de sterkte van de zwaartekrachtgolven 380.000 jaar na de oerknal, waaruit weer af te leiden is hoe sterk ze waren net na de inflatie. Dit geeft weer informatie over hoe sterk de inflatie zelf geweest is. Daarmee kunnen weer natuurkundige theorieën over wat de oorzaak van die inflatie geweest is getoetst worden. Tenslotte kunnen we uit de sterkte van de inflatie ook berekenen hoeveel groter het heelal is ten opzichte van het deel wat we kunnen zien. Waarschijnlijk is het minstens miljarden keren groter.
Het meest opmerkelijk is dat we nu vanaf onze huidige positie in het heelal (zo'n 14 miljard jaar na de oerknal) al terug konden kijken tot 380.000 jaar na de oerknal maar nu indirect gegevens krijgen tot de allereerste split-second (ongeveer 0,000000000000000000000000000000001 seconde) na de oerknal. We hadden dus al een babyfoto maar nu kunnen we de als het ware de zojuist bevruchte eicel 'zien'!
En hoe nu verder? Andere onderzoekteams zullen proberen om dezelfde metingen te herhalen. Daarbij wordt redelijk snel resultaat verwacht van het team van de Planck-satelliet die speciaal ontworpen is om nauwkeurige metingen te doen aan de achtergrondstraling. Aan de andere kant zijn theoretici druk met te bedenken wat de implicaties van de metingen zijn, vooral omdat het effect veel sterker lijkt te zijn dat vooraf was verwacht. Dus binnenkort zullen we er vast nog meer over horen!
