Planck onthult een bijna perfect universum

Het vandaag getoonde beeld is de eerste hemelfoto van wat het oudste licht van ons universum is. De gegevens waarop de afbeelding gebaseerd is, werd gedurende 15,5 maanden verzameld door de ruimtetelescoop Planck. Het licht werd gemaakt in het heelal toen het universum pas 380.000 jaar oud was.

Het heelal zag er toen nog heel anders uit dan nu. Het bestond uit een hete, dikke “soep” met een warmte van zo'n 2700 graden Celsius. Die soep zat vol met op elkaar reagerende protonen, elektronen en fotonen. Toen de protonen en elektronen zich samenvoegden tot waterstofatomen kwam er licht vrij. Doordat het universum zich steeds verder uitbreidde, werd dat licht na verloop van tijd uitgerekt tot microgolven met een temperatuur van 2,7 graden Kelvin, net iets boven het absolute nulpunt.

Leeftijd van het heelal

Deze zogenaamde 'kosmische achtergrondstraling' (cosmic microwave background, of CMB) kan gebruikt worden om de leeftijd van het heelal te achterhalen. De straling laat kleine temperatuurfluctuaties zien die overeenkomen met gebieden die lang geleden een net wat andere dichtheid hadden dan de omringende ruimte. Die gebieden vertegenwoordigen de zaadjes van wat uiteindelijk de sterren en melkwegstelsels zijn geworden.

Volgens het standaard kosmologiemodel -het model dat in grote lijnen uitlegt hoe het heelal zich van de oerknal tot nu heeft ontwikkeld- zijn die kleine fluctuaties meteen na de oerknal ontstaan waarna ze zich dankzij het steeds verder uitweiden van het universum na verloop van tijd uitstrekten over astronomisch grote gebieden.

De in 2009 gelanceerde ruimtetelescoop Planck werd speciaal ontwikkeld om deze fluctuaties in kaart te brengen. Door de aard en spreiding van de zaadjes van het universum te analyseren, kunnen wetenschappers de samenstelling en evolutie van het universum bepalen, van de geboorte van het heelal tot aan vandaag.

Eigenaardige eigenschappen

In grote lijnen kan gesteld worden dat de uit Planck's kaart van de kosmische achtergrondstraling gewonnen informatie de huidige opvattingen over het ontstaan van het heelal onderschrijft. Toch brengt de kaart van Planck ook een aantal eigenaardige en niet eerder uitgelegde eigenschappen van het heelal in beeld. Om te begrijpen wat die eigenaardigheden precies betekenen, is er meer natuurkundig onderzoek nodig.

“De uitzonderlijke kwaliteit van Planck's portret van het jonge universum stelt ons in staat om het fundament van ons heelal bloot te leggen. Daardoor zien we dat onze blauwdruk van de kosmos nog lang niet compleet is. Deze ontdekkingen werden mogelijk gemaakt dankzij unieke technologie die speciaal met dat doel ontwikkeld werd door de Europese industrie”, aldus Jean-Jacques Dordain, ESA's directeur-generaal.

“Vanaf het moment dat de eerste hemelfoto van Planck in 2010 vrijgegeven werd, zijn we voorzichtig begonnen met het extraheren en analyseren van alle ruis die zich tussen ons en het oudste licht in het heelal bevindt. Daardoor hebben we uiteindelijk de kosmische achtergrondstraling tevoorschijn kunnen brengen, gedetailleerder dan ooit”, voegt George Efstathiou van de Britse Universiteit van Cambridge toe.

Asymmetrie

Een van de meest verrassende vondsten van de Planck-missie is dat de fluctuaties in de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling over grote hoeken aan de hemel niet overeenkomen met de temperaturen die zoals we die kennen in ons huidige beeld van het universum. Het signaal is zwakker dan verwacht.

Een andere vondst is een asymmetrie in de gemiddelde temperaturen tussen de tegenovergestelde halfronden van de hemelbol. Dit staak haaks op de gedachte dat het universum er in grote lijnen hetzelfde uitziet in alle richtingen waar je kijkt. Verder werd nog ontdekt dat een koude plek in de ruimte een stuk groter is dan tot nu toe werd aangenomen.

Naar het bestaan van de asymmetrie en de koude plek werd eerder al gehint door Planck's voorloper, NASA's WMAP-satelliet. Deze bevindingen werden toen echter grotendeels genegeerd vanwege aanhoudende twijfel over de oorsprong ervan. “Het feit dat Planck deze onregelmatigheden nu zo duidelijk in kaart heeft gebracht neemt al deze twijfel weg; er kan niet langer beweerd worden dat het meetfouten zijn. De onregelmatigheden zijn echt en we moeten op zoek naar een geloofwaardige verklaring ervoor”, aldus Paolo Natoli van de Italiaanse Universiteit van Ferrara.

“Stel je voor dat je de fundering van een huis inspecteert en erachter komt dat sommige delen ervan verzwakt zijn. Je weet niet of die zwakheden er uiteindelijk voor zullen zorgen dat het huis om gaat vallen, maar je gaat waarschijnlijk wel op zoek naar een snelle manier om de fundering te verstevigen”, verduidelijkt Fançois Bouchet van het Institut d'Astrophysique de Paris.

Nieuw kosmisch recept

Dankzij de gevonden afwijkingen lijkt het erop dat het universum er niet in alle richtingen hetzelfde uitziet. Als dat waar is, dan betekent dat dat de lichtstralen van de kosmische achtergrondstraling een ingewikkeldere route door het heelal hebben afgelegd dan tot nu toe wordt aangenomen. Dat zou een aantal van de ongewone patronen die vandaag getoond zijn kunnen verklaren.

“Ons ultieme doel is dat we een nieuw model kunnen bouwen dat de afwijkingen kan voorspellen en ze aan elkaar kan linken. Maar dit zijn nog maar de eerste stappen; tot nu toe weten we niet of dat mogelijk is en wat voor natuurkunde daarbij komt kijken”, aldus professor Efstathiou.

Naast de hierboven genoemde afwijkingen geeft de door Planck verzamelde data een uitzonderlijk goed beeld van de samenstelling van het universum, waardoor wetenschappers de ingrediënten waaruit ons heelal is opgebouwd kunnen herdefiniëren.

Zo bestaat het heelal voor slechts 4,9 procent uit normale materie. Donkere materie, dat tot nu toe alleen indirect waargenomen is dankzij de invloed van zwaartekracht, is daarnaast goed voor 26,8 procent van de totale massa van het heelal. Dat is bijna eenvijfde keer zoveel als bij vorige schattingen.

Omgekeerd lijkt er van donkere energie -een mysterieuze kracht waarvan gedacht wordt dat hij verantwoordelijk is voor versneld uitzetten van het universum- weer een stuk minder te zijn dan gedacht werd. Ten slotte blijkt uit de data van Planck ook dat het universum met een snelheid van 67,15 km/s/Mpc uitdijt. Volgens de nieuwe data zou het universum daardoor niet 13,7, maar 13,82 miljard jaar oud zijn.

“Dankzij de gegevens van Planck hebben we nu de meest accurate en gedetailleerde kaart van de kosmische achtergrondstraling die ooit gemaakt is. Daardoor kunnen we een nieuw beeld van het universum schetsen. Dat beeld rekt de grenzen van ons begrip van de huidige kosmologische theorieën op”, weet Jan Tauber, projectwetenschapper bij ESA's Planck-missie.

“We zien een bijna perfecte afspiegeling van het standaardmodel van de kosmologie, maar met een aantal intrigerende kenmerken die ons dwingen om een aantal van onze veronderstellingen nog eens goed te overdenken. Dit is het begin van een nieuwe reis en we verwachten dat onze voortdurende analyse van de Planck-data zullen helpen om nieuw licht op dit raadsel te schijnen.”