Is die koude vlek daar een ander heelal?

Het is veruit de beste babyfoto van ons heelal. Maar wat zien we er eigenlijk op?

'Prachtig; zeker', zegt kosmoloog prof. Rien van de Weijgaert van het Zernike Instituut in Groningen terwijl hij de nieuwe stralingskaart van de hele hemel op zijn beeldscherm haalt. De kort voor Pasen vrijgegeven afbeelding van de kosmische microgolfstraling, gemaakt met de Planck-satelliet van ESA, kan ook eigenlijk niet anders dan intrigeren - vaklui evenzeer als leken.

Kleine gele, blauwe en oranje pixels vullen een kolossale ovaal, en geven aan bij welke temperatuur het zichtbare heelal, 380 duizend jaar na de oerknal, licht uitstraalde. Hoe roder, hoe warmer. Op het eerste gezicht zonder enig patroon, volkomen willekeurig. Maar het is een veelzeggende chaos, zegt Van de Weijgaert pakweg 14 miljard jaar na diezelfde oerknal in zijn Groningse werkkamer.

Deze week waren in Noordwijk de makers bijeen van de inmiddels legendarische Planck-hemelkaart. Op tafel een hoge stapel net simultaan gepubliceerde wetenschappelijke artikelen, die ze in wisselende gezelschappen van soms wel tweehonderd auteurs schreven over de metingen die met de Planck-kunstmaan gedaan zijn sinds de lancering in 2009. Ze zijn bijeen om te praten over wat alle gegevens bij elkaar zeggen over ontstaan en levensloop van het universum. En om zich samen het hoofd te breken over een aantal raadsels die schuilgaan in de details van die metingen.

Van de Weijgaert was er in Noordwijk niet bij; Nederland besloot jaren geleden niet mee te doen aan de Planck-missie. Een klein land kan nu eenmaal niet alles tegelijk en het zette liever in op de Herschell-telescoop. Dat neemt niet weg dat de Groningse hoogleraar de Planck-presentaties - onlangs, in Parijs, van de hele kaart en deze week van alle details - met een zekere gretigheid heeft gevolgd. Hij kent veel van de buitenlandse collega's die wel meewerkten. 'Dit is werkelijk een wetenschappelijke goudmijn', weet hij nu al.

De Planck-kaart is tientallen malen gedetailleerder dan eerdere stralingskaarten van het vroege heelal, inclusief de beroemde babyfoto van het heelal door de COBE-satelliet en de latere WMAP en BOOMERANG. Dat maakt statistische analyses van de kleurige chaos mogelijk die tot nog toe onmogelijk leek.

Op de foto is het oudste licht van het universum te zien. Rond 380 duizend jaar na de oerknal, een oogwenk in kosmische begrippen, was het universum gevuld met een hete, dichte soep van protonen en elektronen, waarin lichtdeeltjes opgesloten zaten. Vanaf het moment dat de afkoelende protonen en elektronen waterstofatomen begonnen te vormen, werden de fotonen bevrijd en ging letterlijk het licht aan. Naarmate het universum verder uitzette, werden de golflengten van dat eerste licht verder uitgerekt. Nu, ruim 13 miljard jaar later, is het te meten als microgolven, die corresponderen met een temperatuur van 2,7 graden boven het absolute nulpunt.

Was het oerheelal perfect eenvormig en glad geweest, dan zouden we er nu niet zijn om het te bespreken, zegt van de Weijgaert. Maar zoals in ieder quantumsysteem vertoonde het kleine oerheelal kleine oneffenheden. In een normaal uitdijend heelal zouden die gewoon zijn weggemiddeld. Maar kort na het ontstaan van het heelal gebeurt er iets dat alle voorstellingsvermogen te boven gaat. In een flits van nog geen 10-32 seconde expandeert het vroege heelal met een factor 1030 in omvang. Microscopische structuren worden bij die zogeheten inflatie opeens reusachtige kosmische netwerken.

Wat er daarna losbarst, is een intrigerend samenspel van veel geleidelijker uitzetting en aantrekking, waarbij het licht in het heelal voortdurend wordt gemangeld. Wat we er nu van zien, zegt Van de Weijgaert, is een beetje als het geluid van een orgelpijp. Sommige tonen klinker er harder in door dan andere, omdat ze beter passen in het gegeven universum. 'Luisteren naar de tonen en de boventonen geeft de goede verstaander inzicht in de bouw en samenstelling van de orgelpijp.'

De kakofonie die Planck de onderzoekers levert, blijkt bij nadere analyse akelig goed volgens het boekje. Van de Weijgaert laat grafieken zien waarin de theoretische curves naadloos de meetgegevens over de verdeling van de hotspots aan de hemel volgen. Dat betekent vooral dat het model dat de kosmologen hebben voor de evolutie van het heelal fantastisch werkt.

Verrassingen

Tegelijk is de prachtige overeenstemming een beetje een sigaar uit eigen doos. In de grafieken zitten zeker zes grootheden waarmee de curves in de juiste vorm gewrongen kunnen worden. De 'perfect fit' geeft namelijk omgekeerd ook inzicht in de grootte van die parameters, die samen aangeven in welk heelal we werkelijk leven. En daarin, zegt Van de Weijgaert, zitten wel degelijk verrassingen. De leeftijd van het heelal bijvoorbeeld, die iets van 80 miljoen jaar ouder is dan tot nog toe werd aangenomen. De zogeheten kromming van het heelal, een maat voor de manier waarop lichtstralen bewegen, is nog wat minder dan was aangenomen.

Een andere parameter suggereert dat de inflatiefase van het heelal, de dramatische hyperuitbreiding die het kleine oerheelal tot een kosmos opblies, zelf relatief traag begon en steeds sneller verliep. Tot nog toe konden theoretici niet kiezen, en leek ook een razende start en dan uitrollen een mogelijkheid.

Het recept van het heelal - de hoeveelheden materie, donkere materie en donkere energie - is volgens de Planck-metingen ook iets anders dan werd aangenomen. Vooral het aandeel donkere materie is wel 26,8 procent in plaats van de eerdere schattingen van 22,7 procent van het geheel. En er is, lijkt het, iets mindere donkere energie in het spel - de vorm van anti-zwaartekracht die de uitdijing lijkt aan te jagen.

Al met al geen dramatische bijstellingen, benadrukt Van de Weijgaert. 'De precisie is natuurlijk welkom. Maar de bottom line blijft ook een wat ironische: we weten heel goed hoe het huidige heelal tot stand is gekomen. Alleen weten we van pakweg 95 procent totaal niet wat het is.'

Iets grotere puzzels zijn er ook. Opmerkelijk noemt hij bijvoorbeeld de nieuwe schattingen van de zogeheten hubble-constante, die een maat geeft voor de snelheid waarmee het heelal uitzet. Die is volgens de Planck-analyses aanmerkelijk veel kleiner dan uit eerdere metingen volgde. Dat geeft te denken, zegt de Groningse hoogleraar. 'Een goede verklaring daarvoor weet ik niet, anders zou ik die meteen publiceren.' Een mogelijkheid, zegt hij, is dat in ons deel van het heelal de uitdijing iets minder sterk is dan verderop in het universum.

Verreweg het verrassendste element van de Planck-metingen is dat de achtergrondstraling er grosso modo niet in alle richtingen hetzelfde uitziet. Eerder lijkt er een tweedeling aan de hemel te bestaan, met een duidelijk koeler deel en een warmer deel. En nog gekker: het scheidsvlak tussen beide valt bijna samen met het vlak waarin de planeten om de zon bewegen. Zoiets kan stom toeval zijn, maar tot nog toe dachten de meeste astronomen eerder aan een systematische fout in de metingen, bijvoorbeeld die met de oude WMAP-kunstmaan.

Litteken

Nu ook de veel betere Planck de ongelijke verdeling vindt - en vooral: toch iets minder precies in het vlak van het zonnestelsel dan gedacht - zijn de speculaties pas goed losgebarsten. Mogelijk, is een idee, bevindt het zonnestelsel zich in een gebied dat net iets anders beweegt dan het gemiddelde heelal. En helemaal een wild idee: bij de oerknal is niet één heelal ontstaan, maar meerdere; en de scheve verdeling aan de hemel is een soort litteken van het laatste contact tussen beide werelden.

Zoiets lijkt ook een mogelijke verklaring voor een opvallend koud gebied aan de rand van de hemelkaart, een gebied dat helemaal buiten de orde lijkt te vallen. Het is te groot, en ook te egaal om in de statistieken van koude en warme plekken te vallen. Zo is het groter dan het hele heelal was 380 duizend jaar na de oerknal. Maar het is er echt, zegt Van de Weijgaert, en de vraag is dus vooral of het er altijd al geweest is, en mogelijk de afdruk vormt van een ander oer-universum.

Of zou het toch een effect zijn dat later is ontstaan? 'De vraag is altijd: moeten we het wegredeneren of juist vol oppakken. Ik ben geneigd zoiets weg te redeneren, maar er zijn zeker mensen die er ernstig van wakker liggen.'

PLANCK

De Planck-ruimtetelescoop van de Europese ruimte-organisatie ESA, genoemd naar de fysicus Max Planck (1858-1947), heeft een spiegel van 1,5 meter doorsnee waarmee hij microgolfstraling uit het heelal opvangt. De kunstmaan, van ruim 4 × 4 meter, werd in 2009 gelanceerd vanaf de basis Kourou in Frans Guyana. Het apparaat draait om zijn as waardoor het de hele hemel in smalle stroken scant. De ruwe data worden doorgeseind naar grondstations, waarna astronomen alles behalve de achtergrondstraling wegfilteren.

OOK DONKERE MATERIE IN KAART GEBRACHT

De nieuwe Planck-hemelkaart is gemaakt door uit microgolfopnamen van de hemel alle zichtbare lichtbronnen weg te filteren, van de Melkweg tot verre clusters. Een heidense klus, maar zelfs als het hele zichtbare heelal uit de platen is weggepoetst, blijven er patronen over die niet in de resterende achtergrondstraling zitten, maar in de ruimte zelf. Enorme concentraties van zogeheten donkere materie hebben daar de fotonen uit hun baan gebracht, zoals een lens dat doet met gewoon licht. Het patroon van de achtergrondstraling is daardoor op karakteristieke manieren vervormd, en des te meer naarmate er meer donkere massa in het spel is. Gravitational lensing, noemen astronomen het effect.

Donkere materie is voor de astronomie een essentieel maar raadselachtig element. Sterrenstelsels bevatten bijvoorbeeld veel minder zichtbare materie dan nodig is om hun draaiing te verklaren of de uitdijing van het heelal. Wat die onzichtbare massa precies is, is onbekend. Theorieën zijn er genoeg: van exotische, superzware deeltjes tot koud en betrekkelijk ordinair donker interstellair stof.

Wat donkere materie ook is, de Planck-ruimtetelescoop heeft er in de zijlijn van de echte babyfoto van het heelal als eerste een hemelvullende kaart van gemaakt, die deze week in Noordwijk werd gepresenteerd. Door de wetten van Einstein voor de verbuigingen van het licht door grote massa's om te keren, is uit vervormingen aan de hemel te berekenen hoeveel donkere materie het oerlicht op zijn reis naar de camera van Planck heeft 'gevoeld'.

De kaart laat zien dat de donkere materie in het heelal - net zoals gewone materie - niet egaal verdeeld is, maar grootschalige structuren vertoont, met concentraties en leegtes. Het geheel lijkt op een kerstboom: de donkere materie vormt dan de boom en het zichtbare heelal de lampjes op de takken. Dit beeld past in de meest gangbare ideeën over de evolutie van het universum. Daarin blaast, na de oerknal, een onvoorstelbaar snelle expansie oneffenheden in het kleine oerheelal op tot 'kosmische proporties'. De netwerktachtige massastructuren die zo ontstaan, bestaan in eerste instantie vooral uit donkere materie. Op de zwaarste knooppunten in het netwerk worden daarna de zichtbare sterrenstelsels gevormd.

In computersimulaties blijkt een heelal dat volgens dat scenario is gevormd, precies het soort gravitational lensing geeft dat nu met Planck wordt gevonden, aldus ESA-projectleider Jan Tauber deze week in Noordwijk.

undefined

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
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