Krachtpatser ziet barensweeën van het heelal

Drie jaar lang tuurden wetenschappers op de Zuidpool naar de nagloed van de Big Bang. Vandaag denken ze bewijs te hebben gevonden voor de gargantueske gravitatiegolven die het heelal doorkruisten toen dat versneld uitdijde, net na zijn ontstaan. Indien dit resultaat bevestigd wordt, is het meteen het eerste experimentele bewijs voor het bestaan van gravitatiegolven én voor de inflatietheorie.

13,7 miljard jaar geleden is het heelal ontstaan in een kolossale ontploffing: de Big Bang. Over het hoe en waarom van deze Big Bang zal de wetenschap nog lange tijd het antwoord schuldig blijven, maar we hebben wel een vrij goed idee van wat er sindsdien gebeurde. Aanvankelijk was het heelal een snoeihete brij van elementaire deeltjes: quarks, gluonen, fotonen en nog vele andere. Die “oersoep” was ondoorzichtig: de fotonen - de deeltjes waar licht uit bestaat - werden voortdurend geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden door andere elementaire deeltjes.

Pas 380.000 jaar na de Big Bang was het heelal voldoende afgekoeld om al die deeltjes te laten “condenseren” in atoomkernen, die al snel elektronen rond zich gingen binden. Het resultaat was dat het heelal plots doorzichtig werd. Fotonen werden voor een laatste keer uitgezonden en doorkruisen nu nog ons universum. Deze nagloed van de Big Bang - of kosmische achtergrondstraling - zien we vandaag nog steeds en werd haast toevallig ontdekt door Arno Penzias en Robert Wilson in 1964. Door de uitdijing van het heelal is de golflengte van de achtergrondstraling groter geworden (Dopplereffect) en vandaag komt het spectrum overeen met de straling van een object met een temperatuur van -270.45 ºC (2.7 K). Het heelal is, met andere woorden, een extreem koude plek geworden.

Er is echter een probleem met die kosmische achtergrondstraling. In welke richting we ook kijken, de temperatuur bedraagt precies 2.7 K, op zeer kleine afwijkingen na. Dat betekent dat de materie in het heelal zeer gelijkmatig verdeeld was toen deze straling vrijkwam - te gelijkmatig om aannemelijk te zijn. De verwachting is dat materie gaat “klonteren” en dat die “klontering” alleen maar toeneemt doordat deeltjes met massa elkaar aantrekken via de zwaartekracht.

Om dit en een paar andere problemen in de kosmologie op te lossen werd in 1980 de inflatietheorie voorgesteld door Alan Guth: het heelal zou in zeer korte tijd enorm in omvang zijn toegenomen. Ons universum zou als een ballon opgeblazen zijn, waardoor kleine fluctuaties in de dichtheid werden uitgevlakt zodat het huidige homogene en vlakke heelal gevormd kon worden.

Wat die inflatie heeft veroorzaakt en waarom ze gestopt is, blijft echter een raadsel. Bovendien weten we ondertussen dat de uitdijing van het heelal vandaag opnieuw aan het versnellen is. De drijvende kracht voor deze versnelde uitdijing word “donkere energie” genoemd en omvat maar liefst 70% van alle energie en materie in het heelal. Dit brengt ons echter niet veel verder met het begrijpen van dit fenomeen.

Bewijs

Klinkt allemaal erg speculatief, zegt u? Inderdaad, een theorie wordt pas wetenschap als ze ook experimenteel bevestigd kan worden. En dat is nu precies wat de wetenschappers van het BICEP2 experiment beweren. De extreme inflatieperiode moet gepaard zijn gegaan met gigantische schokgolven in ruimte-tijd die het heelal doorkruisten. Het bestaan van dergelijke gravitatiegolven wordt al lang verondersteld, maar ook dit verschijnsel werd tot vandaag nog nooit experimenteel waargenomen. Nochtans zouden die gravitatiegolven een afdruk hebben nagelaten in de kosmische achtergrondstraling. Net zoals het licht dat in onze atmosfeer verstrooid wordt (denk aan uw zonnebril met polarisatiefilter), is ook de kosmische achtergrondstraling gepolariseerd. Dat wil zeggen dat de elektromagnetische golf waar licht uit bestaat in een welbepaalde richting oscilleert. Een sterke gravitatiegolf ten tijde van het vrijkomen van de achtergrondstraling moet die polarisatierichting hebben bepaald. Je kan het vergelijken met rimpels die in het zand worden achtergelaten door golven die op het strand aanspoelen.

Het is al langer geweten dat de polarisatiesterkte en -richting van de kosmische achtergrondstraling varieert afhankelijk van naar waar je kijkt. Dit is onder meer te wijten aan de gravitationele aantrekking van zware sterrenstelsels die de fotonen van de achtergrondstraling tijdens hun reis van bijna 14 miljard jaar door het universum tegenkomen. De BICEP2 wetenschappers hebben nu echter de polarisatiesterkte en -richting van de kosmische achtergrondstraling nauwkeurig opgemeten en beweren dat de “kronkels” in hun waarneming niet enkel verklaard kunnen worden door dergelijke effecten. De achtergrondstraling zou een initiële afdruk vertonen die te wijten is aan gravitatiegolven.

Nobel?

Het resultaat van BICEP2 is echter niet geheel vrij van controverse. Eerdere experimenten (WMAP, Planck) hebben ook de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling gemeten en vonden geen bewijs voor gravitatiegolven. En al beweren de BICEP-wetenschappers dat ze de rimpelingen in de polarisatie hebben gemeten met een zeer grote zekerheid (de waarneming wijkt met meer dan 5 standaardafwijkingen (5σ) af van de nul-hypothese), ze geven zelf toe dat ze niet-kosmologische oorzaken slechts kunnen uitsluiten met een zekerheid van 2.2σ, wat niet echt voldoet aan de norm voor een ontdekking die normaal gezien gehanteerd wordt.

De verwezenlijking van de BICEP2 ploeg is ongetwijfeld heroïsch en het resultaat zeer beloftevol. Zoals altijd in wetenschappelijk onderzoek, zullen er echter nog een aantal vragen moeten worden beantwoorden en moet er een onafhankelijke bevestiging komen van het resultaat. Indien het klopt, weet ik echter al op wie ik moet wedden als laureaat van een volgende Nobelprijs!