Een afbeelding van de kosmische achtergrondstraling van microgolven, gemaakt door de Planck-satelliet van de European Space Agency (ESA) in 2013, toont de kleine variaties aan de hemel
(Afbeelding: © ESA / Planck Collaboration)
Men denkt dat de kosmische microgolfachtergrond (CMB) overgebleven straling is van de oerknal, of het moment waarop het universum begon. Zoals de theorie zegt, onderging het universum bij de geboorte een snelle inflatie en expansie. (Het universum breidt nog steeds uit en het uitbreidingspercentage verschilt afhankelijk van waar je kijkt). De CMB vertegenwoordigt de warmte die overblijft van de oerknal.
Je kunt de CMB niet met het blote oog zien, maar hij is overal in het universum. Het is onzichtbaar voor mensen omdat het zo koud is, slechts 2,725 graden boven het absolute nulpunt (minus 459,67 graden Fahrenheit of minus 273,15 graden Celsius.) Dit betekent dat de straling het meest zichtbaar is in het microgolfgedeelte van het elektromagnetische spectrum.
Oorsprong en ontdekking
Het universum begon 13,8 miljard jaar geleden en de CMB dateert van ongeveer 400.000 jaar na de oerknal. Dat komt omdat in de vroege stadia van het universum, toen het nog maar honderd miljoenste was van de omvang die het vandaag is, de temperatuur extreem was: 273 miljoen graden bovenstaande absoluut nul, volgens NASA.
Alle atomen die op dat moment aanwezig waren, werden snel uit elkaar gehaald in kleine deeltjes (protonen en elektronen). De straling van de CMB in fotonen (deeltjes die quantums van licht vertegenwoordigen, of andere straling) werd van de elektronen verstrooid. 'Zo dwaalden fotonen door het vroege heelal, net zoals optisch licht door een dichte mist dwaalt', schreef NASA.
Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was het universum koel genoeg om waterstof te kunnen vormen. Omdat de CMB-fotonen nauwelijks worden beïnvloed door het raken van waterstof, reizen de fotonen in rechte lijnen. Kosmologen verwijzen naar een "oppervlak van de laatste verstrooiing" wanneer de CMB-fotonen de laatste keer materie raken; daarna was het universum te groot. Dus als we de CMB in kaart brengen, kijken we terug in de tijd naar 380.000 jaar na de oerknal, net nadat het universum ondoorzichtig was voor straling.
Volgens NASA voorspelde de Amerikaanse kosmoloog Ralph Apher de CMB voor het eerst in 1948, toen hij met Robert Herman en George Gamow werkte. Het team deed onderzoek naar de Big Bang-nucleosynthese, of naar de productie van elementen in het universum naast de lichtste isotoop (type) waterstof. Dit type waterstof is heel vroeg in de geschiedenis van het universum ontstaan.
Maar de CMB werd voor het eerst per ongeluk gevonden. In 1965 creëerden twee onderzoekers van Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias en Robert Wilson) een radio-ontvanger en waren verbaasd over het geluid dat het oppikte. Ze realiseerden zich al snel dat het geluid uniform uit de hele lucht kwam. Tegelijkertijd probeerde een team van Princeton University (onder leiding van Robert Dicke) de CMB te vinden. Het team van Dicke kreeg lucht van het Bell-experiment en realiseerde zich dat de CMB was gevonden.
Beide teams publiceerden snel artikelen in het Astrophysical Journal in 1965, waarbij Penzias en Wilson het hadden over wat ze zagen en Dicke's team uitlegde wat het betekent in de context van het universum. (Later ontvingen Penzias en Wilson allebei de Nobelprijs voor natuurkunde van 1978).
Studeren in meer detail
De CMB is nuttig voor wetenschappers omdat het ons helpt te leren hoe het vroege universum is ontstaan. Het is op een uniforme temperatuur met slechts kleine fluctuaties zichtbaar met nauwkeurige telescopen. "Door deze fluctuaties te bestuderen, kunnen kosmologen de oorsprong van sterrenstelsels en grootschalige structuren van sterrenstelsels leren kennen en kunnen ze de basisparameters van de oerknaltheorie meten", schreef NASA.
Terwijl delen van de CMB in de daaropvolgende decennia na de ontdekking ervan in kaart werden gebracht, kwam de eerste ruimte-gebaseerde full-sky kaart van NASA's Cosmic Background Explorer (COBE) -missie, die in 1989 werd gelanceerd en de wetenschappelijke activiteiten stopte in 1993. Deze 'babyfoto' 'Van het universum, zoals NASA het noemt, bevestigde de voorspellingen van de Big Bang-theorie en toonde ook hints van kosmische structuur die nog niet eerder waren waargenomen. In 2006 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan COBE-wetenschappers John Mather van het NASA Goddard Space Flight Center en George Smoot van de University of California, Berkeley.
Een meer gedetailleerde kaart kwam in 2003 met dank aan de Wilkinson Microgolf Anisotropie Probe (WMAP), die in juni 2001 werd gelanceerd en in 2010 stopte met het verzamelen van wetenschappelijke gegevens. Het eerste beeld betrof de leeftijd van het universum op 13,7 miljard jaar (een meting sinds verfijnd tot 13,8 miljard jaar) jaar) en onthulde ook een verrassing: de oudste sterren begonnen ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal te schijnen, veel eerder dan voorspeld.
Wetenschappers volgden die resultaten op door de zeer vroege inflatiestadia van het heelal te bestuderen (in de biljoenste seconde na vorming) en door nauwkeurigere parameters te geven over de atoomdichtheid, de klonterigheid van het heelal en andere eigenschappen van het heelal kort nadat het was gevormd. Ze zagen ook een vreemde asymmetrie in gemiddelde temperaturen in beide hemisferen van de lucht, en een "koude plek" die groter was dan verwacht. Het WMAP-team ontving voor hun werk de Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2018.
In 2013 werden gegevens vrijgegeven van de Planck-ruimtetelescoop van de European Space Agency, die het hoogste precisiebeeld tot nu toe van de CMB laat zien. Wetenschappers hebben met deze informatie een ander mysterie blootgelegd: schommelingen in de CMB op grote hoekschalen kwamen niet overeen met voorspellingen. Planck bevestigde ook wat WMAP zag in termen van asymmetrie en koude plek. Planck's laatste gegevensuitgave in 2018 (de missie die tussen 2009 en 2013 werd uitgevoerd) toonde meer bewijs dat donkere materie en donkere energie - mysterieuze krachten die waarschijnlijk achter de versnelling van het heelal schijnen te bestaan - lijken te bestaan.
Andere onderzoeksinspanningen hebben geprobeerd om naar verschillende aspecten van de CMB te kijken. Een daarvan is het bepalen van soorten polarisatie genaamd E-modi (ontdekt door de op Antarctica gebaseerde Degree Angular Scale Interferometer in 2002) en B-modi. B-modi kunnen worden geproduceerd door zwaartekrachtlensing van E-modi (deze lensing werd voor het eerst gezien door de Zuidpooltelescoop in 2013) en zwaartekrachtgolven (die voor het eerst werden waargenomen in 2016 met behulp van de Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory of LIGO). In 2014 zou het op Antarctica gebaseerde BICEP2-instrument zwaartekrachtgolf B-modi hebben gevonden, maar verdere observatie (inclusief werk van Planck) toonde aan dat deze resultaten te wijten waren aan kosmisch stof.
Medio 2018 zijn wetenschappers nog steeds op zoek naar het signaal dat kort na de oerknal een korte periode van snelle universumuitbreiding liet zien. In die tijd werd het universum sneller groter dan de lichtsnelheid. Als dit gebeurt, vermoeden onderzoekers dat dit door middel van polarisatie zichtbaar moet zijn in de CMB. Een studie dat jaar suggereerde dat een gloed van nanodiamanten een zwak, maar waarneembaar licht creëert dat interfereert met kosmische waarnemingen. Nu er rekening wordt gehouden met deze gloed, zouden toekomstige onderzoeken deze kunnen verwijderen om beter te zoeken naar de zwakke polarisatie in de CMB, zeiden de auteurs destijds.
Extra bron
- NASA: Tests of Big Bang: The CMB
