Een nieuw observatorium, op 5 kilometer hoogte in het noorden van Chili, staat op het punt te gaan zoeken naar signalen van het pasgeboren heelal. De grote vraag: houdt het idee van kosmische inflatie stand?
‘Mars met lucht.’ Zo omschrijft kosmoloog Mark Devlin van de Universiteit van Pennsylvania het Chajnantor-plateau, in het noorden van Chili. Een surrealistisch en extreem landschap, 5 kilometer hoog, zonder vegetatie en omringd door nóg hogere vulkaantoppen. Veel lucht is het trouwens niet: hier moet je het doen met de helft van de hoeveelheid zuurstof op zeeniveau. Hoogteziekte ligt voortdurend op de loer.
Toch wordt hier, op 5.200 meter hoogte aan de voet van de Cerro Toco-vulkaan, een dezer dagen een nieuw observatorium in gebruik genomen. Niet om planeten of sterren te onderzoeken, maar om jacht te maken op de allereerste geboortekreet van het universum. ‘Het Simons Observatory is de nieuwste stap in onze zoektocht naar signalen van het pasgeboren heelal’, aldus kosmoloog Daan Meerburg van de Rijksuniversiteit Groningen.
Over de auteur
Govert Schilling is wetenschapsjournalist. Hij schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde.
Het observatorium oogt als een rommelig samenraapsel van loodsen, barakken en containers. Daartussen staan drie ‘kleine’ telescopen met lenzen van 50 centimeter en één kolossaal instrument met een diameter van 6 meter, dat overigens nog niet voltooid is. Zestigduizend piepkleine detectortjes, gekoeld tot eentiende graad boven het absolute nulpunt, vangen straks elk individueel ‘lichtdeeltje’ op van de kosmische achtergrondstraling – de ‘nagalm’ of ‘echo’ van de oerknal.
Het pasgeboren heelal was gevuld met energierijke straling. Dankzij veertien miljard jaar kosmische uitdijing is die oogverblindende gloed verdund, afgekoeld en ‘uitgerekt’ tot nauwelijks waarneembare microgolfstraling. Wil je meer te weten komen over de geboorte van de kosmos, zo’n 13,8 miljard jaar geleden, dan moet je dit alleroudste ‘licht’ in detail bestuderen. ‘Het zijn onvoorstelbaar moeilijke metingen’, zegt Devlin, een van de twee directeuren van het nieuwe observatorium.
Microgolfstraling wordt geabsorbeerd door waterdamp (daarom warmt voedsel ook zo snel op in een magnetron, die met microgolven werkt). Een ‘oerknaltelescoop’ moet dus zo hoog mogelijk staan: dan zit je boven het grootste deel van de waterdamp in de aardatmosfeer. Hoog en droog is het motto, en het Chajnantor-plateau in de Chileense Atacama-woestijn is daarom bij uitstek geschikt. Om die reden is hier ruim tien jaar geleden ook al het internationale Alma-observatorium verrezen en namen Japanse astronomen er onlangs een nieuwe grote infraroodtelescoop in gebruik.
Een telescoop in de ruimte is natuurlijk nóg beter – dan heb je helemaal geen last van verstoringen. Ruim dertig jaar geleden was het dan ook een Amerikaanse kunstmaan die de kosmische achtergrondstraling voor het eerst in detail bestudeerde. Toen werden minieme temperatuurvariaties ontdekt, van ongeveer eentienduizendste graad. Die zijn het gevolg van kleine dichtheidsverschillen in het pasgeboren heelal – de subtiele materieconcentraties waaruit later complete sterrenstelsels samenklonterden.
Latere kunstmanen, zoals de Europese ruimtetelescoop Planck, hebben die metingen nog veel gedetailleerder uitgevoerd. Zo kun je de eigenschappen van het pasgeboren heelal vergelijken met hoe het er nu uitziet. En dan blijkt dat er behalve ‘gewone’ materie ook veel mysterieuze donkere materie moet zijn (waarvan alleen de zwaartekrachtinvloed merkbaar is). Bovendien blijkt dan dat de uitdijing van het heelal sinds pakweg vijf miljard jaar aan het versnellen is, als gevolg van een al even mysterieuze vorm van donkere energie.
Genoeg resterende raadsels dus, en het nieuwe Simons Observatory doet daar nog een schepje bovenop. Want wat gebeurde er in de eerste minieme fractie van een seconde na het ontstaan van het universum? Was er toen echt sprake van een extreem korte periode van kosmische ‘inflatie’, waarbij ons waarneembare heelal minstens tachtig keer in grootte verdubbelde? Het is een populaire hypothese, waarover niets met zekerheid bekend is. Maar als het klopt, moet de lege ruimte toen stevig aan het trillen zijn gebracht. En die voorwereldlijke zwaartekrachtgolven zouden dan later hun sporen achtergelaten moeten hebben in de kosmische achtergrondstraling.
Dat is de reden dat kosmologen zoals Devlin al een kwart eeuw op zoek zijn naar die ‘vingerafdruk’: een uniek polarisatiepatroon van het toch al heel zwakke signaal. Polarisatie betekent dat de stralingsgolfjes een voorkeur hebben voor één bepaalde trillingsrichting. En de gezochte zwaartekrachtgolven verraden zich doordat die polarisatierichting op een heel specifieke manier varieert over de sterrenhemel, in een soort wervelpatroon.
Dat subtiele effect is met relatief kleine satellieten niet te meten; daar heb je grotere telescopen op de grond voor nodig. ‘De detectoren die we gebruiken zijn al honderd procent efficiënt’, aldus Meerburg, die adviseur is van een van de analysewerkgroepen van het Simons Observatory. ‘De enige manier om nog gevoeliger te worden, is dus om meer detectoren te gebruiken.’ Ruimtetelescoop Planck had er 52; het Simons Observatory zestigduizend.
Een vergelijkbaar maar kleiner instrument op de geografische zuidpool kwam in 2014 al met de claim dat het polarisatiesignaal gevonden was. Later bleek dat de wetenschappers onvoldoende hadden gecorrigeerd voor de aanwezigheid van stof in ons Melkwegstelsel – dat veroorzaakt ook polarisatie. Daarom is het goed dat er een aantal teams mee bezig zijn, legt Devlin uit. ‘Als maar één team met een nieuwe claim komt, gaat niemand het geloven.’
Volgens Brian Keating van de Universiteit van Californië in San Diego, de wetenschappelijk projectleider van het Simons Observatory, heeft het Zuidpoolteam wel een flinke voorsprong, ‘maar we zullen ze hopelijk op tijd inhalen. Er is zeker sprake van competitie, maar de twee observatoria zijn toch eerder complementair dan concurrerend.’ Voor het volgende decennium staat er zelfs een nog veel gevoeliger project op stapel, CMB-S4 geheten, met samenwerkende telescopen zowel in Chili als op de Zuidpool.
Met 2.835 meter ligt de Zuidpool minder hoog dan het Chajnantor-plateau, maar door de lage temperatuur is de lucht er toch veel droger. Op papier is het dus een nog betere plek om de kosmische achtergrondstraling in detail te bestuderen, aldus Meerburg. Maar ja, ook nóg veel extremer, en vooral moeilijker bereikbaar. ‘Als ik een hijskraan nodig heb op de Zuidpool, moet ik dat jaren van tevoren plannen’, zegt Devlin. Bovendien is vanaf de Zuidpool altijd maar de helft van de hemel zichtbaar, terwijl je vanuit Noord-Chili in de loop van een jaar 80 procent van het heelal kunt bestuderen.
Al sinds begin deze eeuw worden er vanaf het Chajnantor-plateau metingen aan de achtergrondstraling gedaan, met steeds grotere en gevoeliger instrumenten en meestal gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation. Het Simons Observatory is gerealiseerd dankzij een gift van ruim 40 miljoen dollar van de particuliere Simons Foundation (vandaar de naam), opgericht door wiskundige en hedgefundmanager Jim Simons en zijn vrouw Marilyn. ‘Simons, die vorige week zijn 86ste verjaardag vierde, bracht in 2015 een aantal teams bij elkaar’, zegt Keating. ‘De knapste koppen in dit onderzoeksgebied werken nu samen, met hetzelfde doel voor ogen.’
Want hoewel er met het Simons Observatory ook allerlei ander astronomisch onderzoek gedaan zal worden, blijft de belangrijkste vraag toch hoe de geboorte van het heelal eruitzag en of het idee van kosmische inflatie standhoudt. Om daar achter te komen, zal er de komende jaren jacht worden gemaakt op de bijzondere spiraalachtige patronen in de polarisatie van de echo van de oerknal.
Op zichzelf zouden die patronen al gevonden kunnen worden door de drie kleine telescopen (dat aantal wordt in de nabije toekomst overigens uitgebreid tot zes). Helaas is er sprake van allerlei kosmische stoorsignalen die het beeld vertroebelen. De precisiemetingen met de grote telescoop – waarvoor de spiegelondersteuning is geleverd door het Nederlandse bedrijf Airborne – maken het mogelijk om de effecten daarvan heel nauwkeurig weg te filteren. ‘In 2014 is dat onvoldoende gebeurd’, zegt Devlin. ‘Dat wil je niet nog een keer hebben, dus we moeten er nu echt zeker van kunnen zijn dat we elke vorm van ruis en verstoring kunnen meten en elimineren.’
Niemand weet wanneer dat gaat lukken, en of de doorbraak in Chili of op de Zuidpool bereikt zal worden. ‘Het ligt er maar net aan aan wie je dat vraagt’, zegt Meerburg. ‘De Zuidpool is een betere site, maar wij zouden kunnen winnen doordat we veel meer detectoren hebben en dus een veel hogere gevoeligheid en beeldscherpte.’ Ook Keating hoopt en verwacht dat de ‘enorme sprong in technologische mogelijkheden’ uiteindelijk de doorslag zal geven.
Zo niet, dan is het wachten op het toekomstige CMB-S4 observatorium, met drie grote en achttien kleine telescopen, verdeeld over de twee unieke locaties. Daarmee moeten de metingen nog eens zes keer zo efficiënt uitgevoerd kunnen worden, aldus Devlin. Hij verwacht voorlopig te blijven pendelen tussen het gerieflijke Philadelphia en het Mars-achtige Chajnantor-plateau. ‘Het uitzicht vanaf Cerro Toco is spectaculair. Ja, de omstandigheden zijn er heel extreem, maar ik ben er aardig aan gewend.’
De kosmische achtergrondstraling is in 1964 min of meer bij toeval ontdekt door de Amerikaanse radio-ingenieurs Arno Penzias en Robert Wilson, die daarvoor in 1978 de Nobelprijs voor Natuurkunde ontvingen. Penzias en Wilson probeerden de herkomst te achterhalen van een storend ruissignaal in een grote antenne die gebruikt was voor satellietcommunicatie. Het ging om een zwakke microgolfstraling die continu en vanuit elke richting in dezelfde sterkte werd waargenomen.
Aanvankelijk dachten ze dat duivenpoep in de kolossale antenne de oorzaak was, maar zelfs na een grondige schoonmaakactie bleef het signaal aanwezig. Pas na overleg met de onderzoeksgroep van natuurkundige Robert Dicke werd duidelijk dat het om de ‘echo van de oerknal’ ging – het enorm verzwakte restant van de energie waarmee het pasgeboren heelal was gevuld. De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling wordt nog steeds gezien als het sterkste ‘bewijs’ voor de juistheid van de oerknaltheorie. Precisieonderzoek aan de achtergrondstraling levert informatie op over de gebeurtenissen vlak na tijdstip nul.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant