In vorige blogs had ik het over de manieren waarop Donkere Materie gevonden kon worden. Maar daar beperkte ik mij tot ons eigen Melkwegstrelsel. Hoe zit het als we in het volledige universum op zoek gaan naar deze mysterieuze substantie. Op de site quantumuniverse vond daarover nog wat materiaal!
Hoeveel donkere materie is er in het heelal, en hoe kunnen we dat meten? Deze informatie ligt besloten in het oudste licht van het universum, dat ontstaan is in het begin van het heelal: slechts 380.000 jaar na de Big Bang. Toegegeven, dit lijkt lang als je erop moet wachten, maar op de 13,82 miljard jaar die het universum oud is komt het overeen met slechts 0.003% van de totale leeftijd.
Het eerste licht: de kosmische achtergrondstraling
Het licht, de fotonen, uit het begin van het universum zijn nu overal aanwezig en komen vanuit elke richting in het heelal, en worden daarom wel de ‘kosmische microgolf-achtergrondstraling’ (Cosmic Microwave Background Radiation) genoemd. Deze achtergrondstraling werd in 1948 voor het eerst voorspeld door de Amerikaanse kosmologen Ralph Alpher en Robert Herman. Zij schatten de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling op ongeveer 5 Kelvin (-268 graden Celsius) op basis van de oerknaltheorie. Volgens de heren Alpher en Herman had het heelal een miniscuul kleine, dichte en hete oorsprong voordat het uitdijde tot het huidig formaat. Door deze hoge temperatuur zou het heelal straling hebben uitgezonden die nu nog steeds meetbaar is.
Het idee van Alpher en Herman raakte vrij snel in vergetelheid, maar werd in 1960 zelfstandig herontdekt door Robert Dicke. Slechts vier jaar later werden in New Jersey twee “Dicke radiometers” gebouwd. De eerste werd gebruikt door David Wilkinson en Peter Roll, collega’s van Dicke op de universiteit van Princeton, en was bedoeld om de voorspelde achtergrondstraling te meten.
De tweede werd gebruikt voor satellietcommunicatie door Arno Penzias en Robert Wilson van Bell Telephone Laboratories. Het tweede experiment bleef echter last hebben van achtergrondruis met een temperatuur van 3,5 Kelvin.
Nadat Penzias en Wilson alles hadden geprobeerd om deze hinder tegen te gaan (uitstekende bouten afvijlen, duivenpoep verwijderen, et cetera) namen ze wanhopig contact op met de onderzoekers van Princeton. Dicke, Wilkinson en Roll hadden het direct door dat iemand ze voor was geweest: “Boys, we’ve been scooped.”
Inderdaad waren het Penzias en Wilson die in 1978 de Nobelprijs ontvingen voor hun ontdekking. Voorspeller Robert Herman legde zich hierbij neer met de woorden: “You don’t give recognition to the person; you give it to the work.”
De babyfoto van het heelal
Door de manier waarop dit allereerste waarneembare licht ontstaan is, vertelt de kosmische achtergrondstraling ons onvoorstelbaar veel over de oorsprong, geschiedenis en samenstelling van het heelal. Je kunt het haast vergelijken met een “babyfoto” die astronomen bestuderen om te begrijpen hoe het heelal zich in de loop der tijd heeft ontwikkeld richting “volwassenheid”.
Uit deze “babyfoto” kunnen wetenschappers veel informatie halen over de structuur en samenstelling van het huidige universum.
Het licht is namelijk ontstaan vlak na de oerknal, toen het heelal nog zo klein, dicht en heet was dat alle materie uit plasma bestond. Plasma is een toestand van materie (net als vast, vloeibaar en gas), waarin de elektronen door de hitte uit hun atomen worden gestoten. Binnen dit plasma werden alle aanwezige fotonen door de vrije elektronen verstrooid als ballen in een flipperkast, niet in staat om te ontsnappen. Toen 370.000 jaar later het heelal genoeg was uitgedijd en afgekoeld om de protonen en elektronen te laten combineren tot neutrale en meer verspreide deeltjes, kon het licht eindelijk ontsnappen en aan haar lange reis door het heelal beginnen.
De temperatuur van deze fotonen bevat waardevolle informatie over de dichtheidsverdeling in het heelal op het moment dat ze voor het laatst door een elektron werden verstrooid. Omdat deze vroege dichtheidsverschillen onder invloed van de zwaartekracht en de uitdijing van het heelal uiteindelijk zijn ontwikkeld tot onze huidige structuren (clusters, melkwegstelsels, sterren, planeten en de mensheid), wordt er veel aandacht besteed aan de studie van deze dichtheidsverschillen, en hoe deze hun licht kunnen laten schijnen op de inhoud en eigenschappen van het heelal.
COBE, WMAP en Planck
Sinds de ontdekking van Penzias en Wilson zijn er door verschillende ruimtetelescopen steeds nauwkeurigere hemelkaarten gemaakt die de temperatuurverschillen in de kosmische achtergrondstraling weergeven: zie afbeelding hieronder. Dit is echter erg lastig, aangezien het relatieve temperatuurverschil kleiner is dan 0,001%.
Het eerste project dat erin slaagde om dit verschil te meten was NASA’s Cosmic Background Explorer (COBE), die gelanceerd werd in 1989. Samen met verschillende aan luchtballonnen bevestigde instrumenten stelde COBE vast dat de kosmische achtergrond exact overeenkomt met hittestraling van 2,7 Kelvin; een zeer sterk bewijs voor de oerknaltheorie. Helaas had deze telescoop een te lage resolutie om veel prijs te geven over de samenstelling van het heelal.
De hierop volgende Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), genoemd naar de toen pas overleden voorspeller David Wilkinson, werd in 2001 gelanceerd door de NASA. De 33 keer hogere resolutie zorgde ervoor dat de leeftijd van het universum (13,73 miljard jaar), de vorm van de ruimte-tijd (vlak) en de dichtheid van baryonen (4,5%), Donkere Materie (22,7%) en Donkere Energie (72,8%) in het heelal konden worden bepaald.
Dit veroorzaakte een revolutie binnen de kosmologie, waardoor de WMAP-artikelen zich lange tijd onder de meest geciteerde werken van de hele natuur- en sterrenkunde bevonden.
De nieuwste metingen van de achtergrondstraling, die in 2013 zijn uitgebracht, werden gedaan door de Planck-missie van de ESA. Deze telescoop, die in 2009 gelanceerd werd, heeft een nog hogere resolutie dan WMAP en geeft ons waarschijnlijk data met de beste kwaliteit die ooit kan worden bereikt op het gebied van de kosmische achtergrond-straling.
Verbazingwekkend aan de resultaten was dat de samenstelling van het heelal veranderd leek ten opzichte van WMAP, zoals te zien is in bovenstaande afbeelding. Dit komt doordat de door Planck gemeten waarde van de Hubbleconstante H0, die aangeeft hoe snel het heelal uitdijt, lager is dan we op grond van WMAP dachten: slechts 67,8 in plaats van 70 km/s/Mpc.
Als blijkt dat het heelal minder snel uitdijt, betekent dit dat de substantie die de uitdijing veroorzaakt, Donkere Energie, waarschijnlijk in minder grote hoeveelheid aanwezig is, en dat de substanties die juist de uitdijing tegengaan, normale en Donkere Materie, juist in grotere hoeveelheid bestaan.
Ook betekent het dat dus dat het heelal er langer over gedaan heeft om de huidige omvang te bereiken, wat erop neerkomt dat het heelal ouder is dan we dachten. Zo kan het licht dat zo’n 13,8 miljard jaar geleden is ontstaan ons nog steeds voor verrassingen stellen.
