Kosmische achtergrondstraling
De kosmische achtergrondstraling (niet te verwarren met kosmische straling) is de warmtestraling die is uitgezonden kort na de oerknal. Volgens de gangbare kosmologische theorie was het vroege heelal extreem heet. Terwijl het uitdijde, koelde het heelal af.
| Fysische kosmologie | |
|---|---|
 | |
Algemeen
| |
Vroege universum
| |
Uitbreidend universum
| |
Structuur formatie
| |
Toekomst van het heelal
| |
Onderdelen
| |
Na zo'n 380.000 jaar was het heelal afgekoeld tot zo'n 3000 kelvin en konden atomen gevormd worden. Elektronen werden gebonden aan protonen en neutronen. Doordat fotonen niet meer gehinderd werden door interacties met elektronen werd het heelal doorzichtig.
Dit licht van het vroege heelal wordt tegenwoordig waargenomen als de kosmische achtergrondstraling. Doordat het heelal sinds die tijd zo'n 1000 keer zo groot is geworden, is de temperatuur van de achtergrondstraling gedaald tot 3 kelvin (2,725 ± 0,001 K). Gemeten per eenheid van frequentie ligt de piek bij 160,2 GHz, corresponderend met een golflengte van 1,873 mm; gemeten per eenheid golflengte ligt de piek bij 1,06 mm (zoals volgt uit de verschuivingswet van Wien), corresponderend met een frequentie van 283 GHz. Deze straling valt dus in het bereik van de millimetergolven, aangeduid als extremely high frequency, het hoogste frequentiegebied van de microgolf.
Ontdekking
De kosmische achtergrondstraling werd in 1946 door Robert Dicke voorspeld en geschat op 20 K. In 1948 schatte George Gamow de straling op 50 K en in 1950 schatten Ralph Alpher en Robert Herman haar op 5 K, wat later een goede schatting bleek te zijn.
De daadwerkelijke ontdekking werd in 1965 min of meer bij toeval gedaan door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson, twee net afgestudeerde onderzoekers. Bij Bell Laboratories werkten ze met een antenne die ontworpen was voor het opvangen van microgolfstraling. Ze ontdekten een isotrope straling op een golflengte van 1,9 mm. Niet wetende dat die straling voorspeld was, dachten ze dat het aan hun telescoop lag. Aangezien er regelmatig duiven in hun telescoop overnachtten, werd de telescoop ontdaan van alle duivenuitwerpselen, en de bouten in de telescoop werden afgevijld. Toen er daarna nog steeds straling werd gedetecteerd, werd er maar eens contact opgenomen met enkele collega's die hen al snel wisten te vertellen dat ze de kosmische achtergrondstraling hadden ontdekt. In 1978 kregen zij de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor deze ontdekking.
COBE
Na Penzias en Wilson is veel onderzoek gedaan aan de kosmische achtergrondstraling, onder andere door ballonnen die men tot grote hoogte vanaf het aardoppervlak liet opstijgen. Men was vooral op zoek naar de relatie tussen de uitgezonden golflengten en de intensiteit van de straling. De theorie voorspelde dat de straling gelijk aan die van een zwart lichaam moest zijn, een voorspelling die uit is gekomen.
De waarnemingen in 1992 van de COBE-satelliet (COsmic Background Explorer) bevestigden dit. Cobe bracht de temperatuurverschillen in kaart. Het bleek dat de achtergrondstraling zeer gelijkmatig was, met slechts minimale fluctuaties.
Twee belangrijke eigenschappen die door Cobe werden gevonden in de variatie in de achtergrondstraling waren de grootte van de variaties (of eigenlijk het gebrek daaraan) en de granulariteit, dat wil zeggen de grootte van delen van de hemel die kouder of juist warmer zijn.
Wat betreft de grootte van de variaties bleek dat de achtergrondstraling duidelijk minder variabel was dan vooraf geschat werd. Dit betekent dat de dichtheidsvariaties ten tijde van de achtergrondstraling kleiner waren dan volgens de bestaande modellen nodig was om het ontstaan van de huidige systemen van clusters en superclusters te verklaren. Een van de mogelijke verklaringen is dat een vorm van donkere materie op dat moment al sterker was samengeklonterd, maar dat dat voor zichtbare materie door haar interactie met straling nog niet het geval was. In een dergelijk model zou de zichtbare materie na ontkoppeling kunnen 'vallen' naar al bestaande dichtheidsconcentraties in plaats van zelf te hoeven samenklonteren.
Wat betreft de grootte van de 'warme' en 'koude' gebieden, bleek dat punten op een afstand die dusdanig groot was dat het licht de afstand die nog niet had kunnen overbruggen in de tijd tussen de oerknal en het uitzenden van de achtergrondstraling, toch niet onafhankelijk waren. Deze waarneming, verwant aan het horizonprobleem, wordt beschouwd als een bewijs voor de theorie van kosmische inflatie, omdat deze het wel mogelijk maakt dat ver verwijderde delen van het heelal zeer vroeg in de kosmische geschiedenis met elkaar in verbinding hebben gestaan.
BICEP
BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) is een experiment op de Zuidpool dat de polarisatie meet van de kosmische achtergrondstraling met een anno 2014 ongeëvenaarde precisie. Dit geeft sluitende bewijzen over de kosmische inflatie. BICEP werkt op 100 en 150 GHz en met een hoekprecisie van respectievelijk 1,0 en 0,7°. Een opstelling van 98 polarisatiegevoelige sensoren brengt een groot gebied van de hemel boven de zuidpool in kaart. De telescoop werd opgesteld op het Zuidpoolstation Amundsen-Scott in november 2005.
WMAP
(bron: NASA/WMAP Science Team)
In juni 2001 werd de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) gelanceerd. De eerste gegevens kwamen in februari 2003 binnen en toonden in veel groter detail de temperatuurfluctuaties van de kosmische achtergrondstraling. De bestudering van de achtergrondstraling heeft veel nieuwe inzichten opgeleverd, zoals een precieze datering van de oerknal op 13,7 miljard jaar geleden en het ontstaan van de eerste sterren zo'n 200 miljoen jaar na de oerknal.
Planck
De nauwkeurigste metingen van de kosmische achtergrondstraling zijn tussen 2009 en 2013 verkregen door het Planck Observatory.