Grote klapper

Kosmologen doen een vreugdedansje over het nieuwe beeld van de oerknal. Wat is er precies zo revolutionair?

Op het moment suprême, afgelopen maandag ergens halverwege de middag, begaf de webcast het van wat misschien wel de grootste ontdekking in de hedendaagse kosmologie kan heten. Terwijl astronomen van het Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics in Cambridge Massachussetts spraken over veelzeggende verdraaiingen in de radioruis uit het heelal, haperde bij experts over de hele wereld het beeld en stokte het geluid. Error. Server overload.


Gelukkig, zegt theoretisch fysicus Jan Pieter van der Schaar van de Universiteit van Amsterdam, verscheen op hetzelfde moment het artikel met de resultaten van de Bicep2-radiotelescoop op de webservers. 'Uiteindelijk hebben we hier op het instituut vooral allemaal stil zitten lezen.' De twee cameraploegen in het zaaltje van het Science Park Watergraafsmeer hadden zich de opwinding waarschijnlijk anders voorgesteld.


Maar de ontdekking van de eeuw lijkt het te zijn, zegt de Amsterdamse hoogleraar een dag later, kort voor hij het volgende college in moet. Eindelijk zijn er harde metingen die het kaf van het koren kunnen scheiden in de tientallen theorieën over de gebeurtenissen in het allervroegste heelal. Maandag, bekent hij, heeft hij buiten beeld van de camera's echt even een klein vreugdedansje gedaan. Let wel: terwijl ook minimaal een van zijn favoriete heelalmodellen per direct bij het grof vuil kan. Dat past niet bij wat Bicep2 ziet. Jammer, maar zo gaat het in de echte wetenschap.


Waar het allemaal om draait, zijn precisiemetingen aan de zogeheten kosmische achtergrondstraling. Dat is het overblijfsel van het eerste licht dat na het ontstaan van het universum vrij kon bewegen, pakweg 380 duizend jaar na de oerknal - het moment dat de eerste waterstofatomen beginnen te ontstaan.


Wat op dat moment licht was, is inmiddels door 14 miljard jaar uitdijing van het heelal letterlijk opgerekt tot microgolven die alleen met radioantennes op te vangen zijn. Maar op te vangen zijn ze, en radiotelescopen hebben met steeds grotere precisie babyfoto's van het universum gemaakt.


Op die hemelfoto's zijn opmerkelijke dingen te zien. De temperatuur van de achtergrondstraling is niet overal exact hetzelfde. Er zijn kleine variaties, waaruit met statistische trucs steeds preciezere schattingen zijn gemaakt van de leeftijd van het heelal en zijn totale massa.


Maar er is ook een probleem. De achtergrondstraling is te netjes. Zelfs zeer ver uit elkaar liggende delen van het heelal lijken van elkaar te weten wat er in 14 miljard jaar uitzetting is gebeurd.


Om die gelijkmatigheid te verklaren formuleerde de Russisch-Amerikaanse theoreticus Alan Guth met onder anderen Adrei Linde rond 1980 een theorie die kon verklaren waarom zelfs de verste uithoeken van het heelal zoveel op elkaar lijken: inflatie. Kort na de oerknal, was daarbij het idee, zwelt het prille universum opeens immens op, als een pan melk die overkookt. De klok staat dan nog maar op een miljardste van een triljoenste van een triljoenste van een triljoenste seconde.


Hoe dat precies gebeurde is nog lang geen uitgemaakte zaak. Daarvoor bestaan tientallen theorieën, van heel basaal tot scenario's waarin zelfs het vorig jaar ontdekte higgsdeeltje een rol speelt. Hoe het ook zij, inflatie brengt wel degelijk de gelijkmatigheid die het heelal op grote schaal lijkt te hebben. En dat is dan ook de reden dat vrijwel alle kosmologen inmiddels in hun heelalmodellen een plaats voor inflatie hebben ingeruimd. Zonder is ons huidige heelal onbegrijpelijk.


Er was tot nog toe eigenlijk maar één probleem met inflatie: dat iets logisch is, maakt het nog geen realiteit. En met metingen aantonen dat en hoe precies het heelal ooit zo radicaal overkookte, is verre van eenvoudig.


Daarvoor moeten de waarnemers diep de trukendoos van de relativiteitstheorie in. In 1916 formuleerde de toen Berlijnse natuurkundige Albert Einstein een nieuwe theorie van de zwaartekracht, die ruimte en tijd met elkaar verknoopt tot één soepel en vervormbaar geheel. Krommingen in die ruimte-tijd zijn misschien moeilijk voor te stellen, maar ze bepalen hoe massa's bewegen, terwijl massa omgekeerd de ruimte-tijd kromt.


Einstein gebruikte de theorie om afwijkingen in de baan van de planeet Mercurius te verklaren, waar de theorie van Newton tekortschoot. Een bescheiden toepassing. Maar al snel doken theoretici erop die er een heel universum mee probeerden te beschrijven: de eerste kosmologie.


Een verrassende bijkomstigheid van Einsteins theorie is het effect van zeer heftige gebeurtenissen - van sterexplosies tot een versnelling van het heelal zelf - op het geheel van ruimte en tijd: er treden trillingen in op zoals wanneer er een tik op een drilpudding wordt gegeven.


En het zijn die rillingen in de ruimte zelf, waarnaar kosmologen op zoek zijn als ze speuren naar de kosmische inflatie. Zulke gravitatiegolven vervormen de ruimte waardoor de kosmische achtergrondstraling beweegt. Aan de intensiteit van die straling is dat niet goed te zien, maar aan de trillingsrichting des te meer. Aller ogen waren daarom al jaren gericht op die zogeheten B-modepolarisatie.


Op papier uit zich dat in draaikolkachtige patronen in de radiostraling aan de hemel. De kunst is iets dergelijks echt te meten. Bicep2 tuurde jarenlang naar de zuidelijke hemel vanaf de ijzige Zuidpool om zo min mogelijk last te hebben van de atmosfeer en radiobronnen op aarde. Om de achtergrondstraling te vinden, moesten uit de beelden vervolgens alle bekende sterren en sterrenstelsels worden weggepoetst, zonder meteen alle andere informatie te vernietigen. Naar het nu lijkt, met succes.


Maandag toonde het Amerikaanse team in Cambridge niet alleen een radiohemelkaart waarop de voorspelde polarisatiekolken te zien zijn. Experts raakten er vooral opgewonden over dat die kolken niet willekeurig over de hemel verdeeld zijn, maar statistisch samenhangen met de op zichzelf ook toevallige temperatuurvariaties in de radiostraling.


Van der Schaar: 'Hun effect is veel sterker dan ik had durven dromen. Je zou bijna zeggen: te goed om waar te zijn. Des te belangrijker is dat andere experimenten nu snel met hun eigen resultaten komen. We moeten weten of dit werkelijk klopt.'


Die kanttekening maakt ook de Nederlandse astrofysicus Daan Meerburg, momenteel als postdoc verbonden aan Princeton. 'Formeel moet dit werk nog worden gereviewd en is het misschien wat vroeg om radicale conclusies te trekken.'


Niel Turok, een kritische Britse kosmoloog waarschuwde deze week in Physics World ook vooral niet te hard van stapel te lopen.


Het wachten, onderstreept de Groningse theoreticus Diederik Roest, is nu eerst op Planck-waarnemingen van eventuele B-modekolken in de kosmische ruis, die later dit jaar wel worden verwacht. 'Vorig voorjaar presenteerde Planck al prachtige maar niet heel opzienbarende nieuwe gegevens, maar niet over de B-mode, waar kennelijk problemen mee waren. Dat Bicep2 ze nu verslaat, zullen ze niet leuk vinden. Het is David en Goliath.'


Het kan, is de conclusie na deze week, snel gaan in de kosmologie. Tot maandag leken alle radiotelescopen, op de grond, aan ballonnen of in kunstmanen, erop te wijzen dat radiowervels aan de hemel niet duidelijk meetbaar samenhangen met de intensiteit van de straling. Volgens Bicep2 is dat echter wel het geval, en bovendien onverwacht sterk.


Het belangrijkste nieuws van maandag, zegt Diederik Roest in Groningen, is vooral dat het resultaat aangeeft welk type inflatie ons universum heeft gevormd. 'We weten nu met welke energie het vroege heelal overkookte. Daardoor kun je al hele groepen theorieën wegstrepen. Maandag was er hier in elk geval één promovendus erg ongelukkig. Dat zal elders niet anders zijn.' Anderzijds: de laatste dagen verschenen de eerste nieuwe verhandelingen over de gevonden inflatiewaarden al op het internet-depot ArXiv.org.


Het getal dat de Zuidpooltelescoop voor het overkoken aanreikt, gaat hoe dan ook iedere voorstelling te boven: een energieschaal van 1016 giga-elektronvolt, pakweg honderd miljard keer zoveel als de grote deeltjesversneller van CERN in Genève levert.


Opmerkelijk is dat dat precies de getallen zijn waarop Andrei Linde in 1980 in zo ongeveer het allereenvoudigste inflatiemodel uitkwam. Linde toonde zich maandag, teruggeroepen van vakantie, totaal overdonderd. Roest, die vorige zomer met Linde op Stanford werkte: 'Noem het geluk, ik noem het een fenomenale fysische intuïtie, die een Nobelprijs waard is.'


Van der Schaar. 'Dat is een energie waarbij het niet langer volstaat om alleen met zwaartekracht te rekenen. In het vroege heelal hebben de quantumkrachten rechtstreeks in contact gestaan met ruimte en tijd zelf.'


Hetgeen, onderstreept hij enthousiast, naadloos aansluit bij moderne opvattingen over materie, ruimte en tijd. In de zogeheten snaartheorie bestaan er geen krachten en deeltjes, maar zijn die allemaal uitingen van trillingen van abstracte snaartjes in misschien wel tien of elf dimensies. Daar spannen zwaartekracht en quantumkrachten vanzelf samen.


De sterke inflatie kan bijvoorbeeld een opsteker zijn voor de snaartheorie, die de laatste jaren een beetje op de schopstoel zat omdat we zo weinig concrete voorspellingen konden doen. Omgekeerd, zegt Van der Schaar, is dit het moment dat de snaartheorie ook echt zal moeten gaan leveren. 'Nu moet de boter bij de vis.'


STOP DE PERSEN: Kosmisch nieuws

Het nieuwe bewijs voor inflatie is nieuws van een formaat dat zelfs kosmologen niet vaak meemaken. Ingewijden zeggen nu al dat de bedenkers van inflatie - Andrei Linde en Alan Guth - een Nobelprijs niet lang kan ontgaan. De laatste keer dat zoiets aan de orde was, was in 1998 de ontdekking dat het heelal niet zomaar uitzet, maar dat dat steeds sneller gaat. Die vondst bezorgde astronomen Brian Schmidt en Saul Perlmutter in 2011 een Nobelprijs. Daarvoor was de eerste babyfoto van het heelal met de COBE-satelliet in 1992 groot nieuws, goed voor de Nobelprijs van radioastronoom George Smoot in 2003. In 1929 ontdekte astronoom Edwin Hubble met een reuzentelescoop op Mount Wilson als eerste dat het heelal niet statisch is, maar uitzet. Dat was een van de mogelijke uitkomsten van de zwaartekrachttheorie die Albert Einstein in 1916 publiceerde en die in 1927 door de Belgische priester George Lemaître op papier was gezet. Einstein zelf had aanvankelijk een correctiefactor toegevoegd die juist moest voorkomen dat zijn formules een uitzettend heelal opleverden. 'Mijn grootste blunder', noemde hij dat later. De factor speelt tegenwoordig overigens toch weer een rol, ditmaal om de versnelde uitdijing van het heelal te beschrijven.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden