De astronoom Edwin Hubble deed ongeveer een eeuw geleden metingen aan het licht afkomstig van verre sterrenstelsels, maar op een voor die tijd ongebruikelijke manier. Hij bepaalde niet de afstand van sterren in het sterrenstelsel tot de aarde, maar hij bepaalde de snelheid waarmee ze bewogen ten opzichte van de aarde. Daarbij gebruikte hij het dopplereffect voor licht.
Roodverschuiving
Licht van een ster komt hoofdzakelijk van heet waterstof. Daarom wist Hubble met welke frequenties het licht was uitgezonden. Waterstof in een verre ster gedraagt zich immers hetzelfde als waterstof op aarde. Maar hij wist ook dat het licht dat we op aarde meten een iets andere kleur kan hebben vanwege het dopplereffect. Wanneer een ster van ons af beweegt, nemen we hierdoor een iets rodere kleur waar, de zogenaamde roodverschuiving. Als de ster naar ons toe beweegt, meten we een blauwverschuiving. Daaruit kunnen we de snelheid bepalen met de vergelijking:
$f_b = f_0 \left ( 1 + \frac{v_b}{v_g} \right )$
Hierin is f0 de frequentie van het uitgezonden licht (de bron), vg de snelheid van het licht, vb de snelheid van de bron (sterrenstelsel) en fb de gemeten frequentie. Hubble mat de snelheid van individuele sterren in een stelsel en dat gaf hem een goede schatting van de snelheid van het stelsel. In figuur 1 zie je het resultaat van deze berekeningen en de metingen.
Dopplereffect
Dit dopplereffect van licht is een variant van een algemeen verschijnsel uit de natuurkunde. Het dopplereffect treedt op bij bewegende golfbronnen, zoals een sirene die geluidsgolven uitzendt of een ster die elektromagnetische golven (onder meer licht) uitzendt. Als de bron beweegt ten opzichte van een waarnemer neemt die een andere frequentie waar dan de bron uitzendt. Beweegt de bron weg dan wordt de frequentie lager, beweegt die naar je toe dan wordt die hoger. Dit fenomeen is waardevol voor astronomen omdat ze de elektromagnetische straling van hemellichamen kunnen meten en dan uit de waargenomen frequentie kunnen bepalen hoe snel het hemellichaam beweegt, ook al zijn ze miljarden lichtjaren van ons vandaan. Meer over het dopplereffect en toepassingen vind je in een artikel op deze site.
Uitdijing van het heelal
Uit figuur 1 kunnen we twee belangrijke conclusies trekken. Als eerste dat de meeste sterrenstelsels van ons af bewegen, de meeste punten liggen immers boven de as van y=0. En ten tweede dat hoe verder een sterrenstelsel zich van ons af bevindt, hoe sneller het beweegt. De astronomen Aleksandr Friedmann en Georges Lemaître concludeerden hieruit dat het heelal uitdijt. Lemaître veronderstelde dat die uitdijing een begin had gehad, hij noemde dat het ‘primeval atom’. Je kunt de uitdijing vergelijken met het opblazen van een ballon. Als je op een ballon (die het heelal voorstelt) stippen zet (die sterrenstelsels voorstellen) en je blaast de ballon op (het heelal dijt uit) dan zie je de afstand tussen de stippen groter worden, zeker voor stippen die al ver uit elkaar liggen.
Dit klinkt als sterk bewijsmateriaal voor de theorie van de uitdijing, iedereen kan de gegevens gebruiken om de grafiek te checken. Maar hieruit volgt nog niet dat er ook een oerknal is geweest. Er was ook nog een alternatieve theorie, de zogenaamde steady-statetheorie. Fred Hoyle, de astronoom die deze steady-state-theorie bedacht, verzon de naam ‘big bang’ voor de hypothese van Lemaître om de spot te drijven met het idee dat heelal begon met een BANG, een oerknal. Toch is deze naam blijven hangen voor de beschrijving van het ontstaan van het heelal. Tegenwoordig horen we alleen nog maar over de theorie van de oerknal en niets meer over de theorie van de steady-state. Waarom is dat?
Kosmische achtergrondstraling
Omdat er extra bewijs is voor de theorie van de oerknal. En dat bewijs kwam van twee wetenschappers die bij toeval een cruciale waarneming deden en daar later een Nobelprijs voor kregen. Arno Penzias en Robert Wilson werkten bij Bell Labs aan radiocommunicatie via reflectie aan ballonnen. Ze hadden een enorme antenne gemaakt om over om lange afstanden te communiceren. In het signaal van deze antenne namen ze een ‘storing’ waar met golflengtes in het microgolfgebied. Het bleek dat dit signaal uit alle richtingen van de hemel kwam. Ze slaagden er niet in te verklaren waar het signaal vandaan kwam, maar het leek diep uit het heelal te komen. De verklaring vonden ze door puur geluk. Penzias belde de theoretisch sterrenkundige Robert Dicke die toevallig bezig was met berekeningen aan het 'eerste licht' van na de oerknal. Uitgaande van een big bang had Dicke berekend dat er nog straling moest zijn overeenkomend met een erg lage temperatuur. Dat paste precies bij de metingen.
Maar wat veroorzaakt die straling? Omdat het heelal uitdijt weten we dat hoe dieper we in het heelal kijken, hoe verder we terugkijken in de tijd. Hoe verder weg een sterrenstelsel is, hoe langer het licht erover gedaan heeft om ons te bereiken en dus hoe langer geleden het is uitgezonden. Bij het signaal dat Penzias en Wilson oppikten, ging het om licht dat miljarden jaren eerder was uitgezonden. Het was ongeveer 380.000 jaar na de oerknal ontstaan, miljoenen jaren voor de eerste sterren ontstonden. Dicke concludeerde dat ze overtuigend bewijs gevonden hadden voor de oerknal!
Metingen van de achtergrondstraling
De waarnemingen en grafische weergave van deze straling werden in de loop der jaren beter. Dat zie je in figuur 2.
Aan de linkerkant van figuur 2 staan de telescopen en antennes die de straling hebben gemeten met daarbij het jaartal van meting. Aan de rechter kant de namen van de detectoren en de ‘kaarten’ van de achtergrondstraling aan de hemel waar rode spikkels aangeven dat het heet is en blauwe dat het koud is. Des te beter de detectoren des te kleiner de spikkels zijn die we kunnen meten. Deze spikkels zijn het interessantst voor ons. Ze zitten vol met belangrijke kosmologische informatie zoals de Hubbleconstante of de hoeveelheid donkere materie in het heelal.
Vlak na het ontstaan had het heelal een extreem hoge dichtheid en was ook extreem heet, de zogenaamde ‘hot dense state’. Aanvankelijk was het zo heet dat er nog geen atomen konden ontstaan, alle subatomaire deeltjes bewogen los van elkaar. Een gevolg hiervan was dat het universum ondoordringbaar was voor licht (fotonen) omdat fotonen voortdurend interactie hadden met geladen deeltjes. Dit is vergelijkbaar met licht dat ontstaat in de kern van de zon. Dat doet er duizenden jaren over om het oppervlak van de zon te bereiken en te kunnen ontsnappen. Dit kost zoveel tijd door de voortdurende botsingen met de vrij bewegende geladen deeltjes in de zon.
Dat het heelal uitdijde betekende dat de dichtheid kleiner en kleiner werd. Hieruit volgt dat het heelal afkoelde, de temperatuur werd lager. Denk aan een spuitbus deodorant die koud aanvoelt, door de expansie van het gas neemt de temperatuur af. Toen de temperatuur laag genoeg was om waterstof (het eerste element van het periodiek systeem) te laten ontstaan, werd de materie in het heelal elektrisch neutraal, er ontstonden neutrale atomen. De fotonen verstrooiden veel minder aan atomen dan aan vrij bewegende geladen deeltjes (elektronen en protonen). Kortom het heelal werd transparanter voor licht.
Hierdoor verspreidde zich een immense hoeveelheid licht en omdat het heelal uitdijde werd de golflengte ervan langer. Wat wij er nu nog van meten en wat Penzias en Wilson dus bij toeval ontdekten, heeft daarom de golflengte van micrometers. Dit is de kosmische achtergrondstraling (cosmic background radiation of CMB) die we kunnen waarnemen zoals je ziet in figuur 2. Aanvankelijk zag de straling afkomstig vanuit het heelal er vanaf de aarde in alle richtingen ongeveer hetzelfde uit. Maar door de steeds gevoeliger detectoren zijn hier toch meer variaties in te zien (zie figuur 2). Dit vormt niet alleen de basis van de oerknaltheorie maar is ook één van belangrijkste bronnen van informatie over het heelal: hoeveel massa en licht er is, hoeveel het uitdijt en nog veel meer.
Neutrino achtergrondstraling
Maar het onderzoek is nog lang niet klaar. De kosmische achtergrondstraling geeft zicht op het licht dat duizenden jaren na de oerknal ontstond, niet van nog eerder. Maar met een ander deeltje, het neutrino, kunnen we nog verder in het verleden kijken. Het neutrino wordt ook wel het ‘spookdeeltje’ van het standaardmodel genoemd, omdat dit deeltje nauwelijks interactie heeft met materiedeeltjes, zoals elektronen en protonen. Meer daarover lees je in dit artikel. De neutrino’s die vlak na de oerknal ontstonden, konden daarom wel ontsnappen aan de ‘hot dense state’. Er is daarom ook achtergrondstraling van neutrino’s van vlak na de oerknal. Dit heet de kosmische-neutrino-achtergrond en is veel eerder ontstaan dan die van fotonen, namelijk al één seconde na de oerknal! Als we dit kunnen meten, kunnen we hiermee dus informatie verkrijgen van veel dichter bij de oerknal dan tot nu toe mogelijk was.
Saad el Morabit
