kosmische achtergrondstraling

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino's zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

Massa neutrino’s voor eerste keer gemeten – met telescoop

Voor het eerst is er nu een realistische waarde vastgesteld voor de massa van een neutrino. Niet in een deeltjesdetector maar door astronomische waarnemingen door de Planck radioastronomische satelliet.

Erg populair zijn ze niet onder natuurkundigen – de spookachtige neutrino’s, die alleen door hun zwakke wisselwerking en zwaartekracht zijn te meten. Zelfs lichtjaren dik lood – ter vergelijking: de doorsnede van de aarde is plm 0,1 lichtseconde – kan neutrino’s slechts voor enkele tientallen procenten opvangen. Tot overmaat van ramp kunnen neutrino’s oscilleren tussen drie vormen – elektron-neutrino, muon-neutrino en tauon-neutrino, die zich verschillend gedragen bij zwakke-kernkracht interacties. Een detector die elektronneutrino’s kan detecteren, is dus waardeloos voor het detecteren van neutrino’s in de muon- of tauon-staat. Wel bewijzen deze oscillaties dat neutrino’s massa hebben en komen er steeds meer aanwijzingen dat neutrino’s een veel belangrijker rol in de evolutie van de kosmos spelen dan tot nu toe gedacht.

Het raadsel van de ontbrekende superclusters
Ongeveer 100.000 jaar na de Big Bang was de temperatuur zo sterk gedaald dat materie en antimaterie elkaar vernietigden en de materiedeeltjes die we nu kennen overbleven. Bij deze vernietiging kwam een zee van zeer energierijke, dus kortgolvige, fotonen vrij, die we nu waar kunnen nemen als (door de uitrekking van het heelal langgolvig geworden) radiostraling: de kosmische achtergrondstraling.

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino's zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA
Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino’s zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

We kennen de sterkte en samenstelling van de kosmische achtergrondstraling precies. Hieruit kunnen we afleiden hoeveel massa het heelal moet hebben: immers: elk foton is ontstaan uit een materie- en antimateriedeeltje die elkaar vernietigden en we kennen vrij precies de mate waarin dat is gebeurd. Nu is er een probleem. Er moet, volgens de bekende hoeveelheid fotonen in de achtergrondstraling, veel meer massa zijn dan uit de aanwezige hoeveelheid galactische superclusters, de grootste structuren in het heelal, blijkt. Die massa moet zich ergens anders in schuilhouden.

Neutrino’s als de daders
Een duidelijke kandidaat zijn uiteraard neutrino’s. We weten nu, sinds 2013, dat ze massa hebben. Zouden neutrino’s, die zoals bekend overal ongehinderd doorheen vliegen, met hun nietige massa de vorming van superclusters gehinderd hebben?

Dr Adam Moss van de faculteit natuurkunde en astronomie van de universiteit van Nottingham en zijn collega Richard Batteye van de universiteit van Manchester, Engeland, denken van wel. Volgens hen ligt de massa van de elektron- muon- en tauon- staat van het neutrino bij elkaar opgeteld rond de 0,320 +/- 0,081  elektronvolt. Ter vergelijking: een elektron, tot nu toe het lichtst bekende deeltje met massa, is 510 999 eV, meer dan 1,5 miljoen maal zoveel dus. Alleen deze massa maakt neutrino’s zwaar genoeg om de clustervorming te verstoren en te verklaren waarom het heelal er zo uitziet als het nu doet.

Steriele neutrino’s
Een tweede optie is dat er ook zogeheten steriele neutrino’s bestaan. Dit is een type neutrino, dat ook niet gevoelig is voor de zwakke kernkracht en dus alleen door onverklaarbaar massaverlies, of zwaartekrachteffecten aangetoond kan worden. In dit laatste geval zijn, aldus de berekeningen van het tweetal, neutrino’s zelfs zwaarder: ∑mν=0.06  eV, effectieve steriele neutrinomassa =(0.450±0.124)  eV and ΔNeff=0.45±0.23.

Bron

Richard A. Battye, Adam Moss, Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations.”  Phys. Rev. Lett. 112, 051303 (2014)

Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.

‘Universele tijd toch mogelijk’

Het is wel degelijk mogelijk om onze absolute snelheid ten opzichte van de rest van het heelal vast te stellen, namelijk door het meten van de achtergrondstraling. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie bestaat er geen absolute ruimte en tijd, slechts ruimtetijd, wiskundig beschreven als een vierdimensionale Minkowskiruimte.

Waar komt achtergrondstraling vandaan?
De materie in ons heelal maakt maar een minieme fractie uit van de totale energie-inhoud. De meeste materie is omgezet in straling vlak na de Big Bang, waarbij materie en antimaterie elkaar annihileerden. Een klein overblijfsel aan materie is uiteindelijk de materie geworden waaruit wij en alles om ons heen bestaan. De straling is echter niet verdwenen, alleen sterk uitgerekt door de uitzetting van het heelal. Waar de straling eerst extreem heet was, is de temperatuur nu gedaald tot drie graden boven het absolute nulpunt. Deze straling kan waargenomen worden met radiotelescopen.

Dopplereffect
Waarschijnlijk heb je wel eens gemerkt dat de toonhoogte van een sirene op een ambulance (of het lawaai van een voorbijrazende auto) daalt als de auto zich van je verwijdert. De oorzaak is het Dopplereffect. Als je naar een geluidsbron toebeweegt, kom je meer golftoppen per seconde tegen. Daardoor lijken geluiden hoger. Omgekeerd kom je minder golftoppen per seconde tegen als je je van de geluidsbron verwijdert. Daardoor klinkt het geluid lager.
Datzelfde effect treedt ook met elektromagnetische straling, zoals licht en radiogolven, op. Beweegt een ster naar ons toe, dan ziet hij er blauwer uit dan normaal: de blauwverschuiving. Beweegt een ster van ons af, dan lijkt hij roder dan normaal: de roodverschuiving. Op die manier kan je door licht te meten, exact berekenen hoe snel een bepaalde ster of sterrenstelsel zich van ons af beweegt.

Golven worden door het Dopplereffect uitgerekt of juist samengeperst.
Golven worden door het Dopplereffect uitgerekt of juist samengeperst.

Achtergrondstraling biedt universele meetlat voor snelheid en tijd

Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.
Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.

De kosmische achtergrondstraling komt om die reden van alle kanten tegelijk. Astronomen hebben ontdekt dat de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling iets hoger is in de richting van de galactische coördinaten l = 276±3°, b = 30±3°. Onze lokale groep melkwegstelsels beweegt in deze richting met een snelheid van ongeveer 630 km per seconde.

Het universum heeft dus wel degelijk een universeel coördinatenstelsel en door metingen aan de kosmische achtergrondstraling is exact vast te stellen in welke richting je je ten opzichte van dit coördinatenstelsel beweegt. Ook is het mogelijk de dilatatie vast te stellen door de gemeten gemiddelde temperatuurwaarde van de kosmische achtergrondstraling te vergelijken met de standaardwaarde vanaf aarde. Als je je diep in de extreem diepe zwaartekrachtsput rond een zwart gat bevindt, zal de kosmische achtergrondstraling bijvoorbeeld veel heter lijken dan in de vrije ruimte.

Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.

Bewijs voor andere universa gevonden

Analyse van de kosmische achtergrondstraling heeft aangetoond dat er minstens vier grote ringvormige structuren in het heelal bestaan, elk ongeveer vier graden breed: acht keer zo groot in schijnbare diameter als de zon of volle maan. Dit is veel te groot om door bekende astrofysische processen veroorzaakt te zijn. De meest logische verklaring is volgens de meeste kosmologen dat het hier om andere universa gaat die met het onze gebotst zijn.

Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.
Astronomen ontdekten vier raadselachtige vlekken in de kosmische achtergrondstraling (kwadrant rechtsonder). Bewijs voor botsingen met andere universa? Bron: P. Feeney et al.

Gaat het hier inderdaad om andere universa?
De vlekken tonen alle kenmerken die heelallen die met het onze botsen zouden vertonen.

Al in 2007 is een enorm gapend gat, een miljard lichtjaar in doorsnede, gevonden waarin de achtergrondtemperatuur lager bleek dan in de rest van het heelal. In het gat bevinden zich nauwelijks melkwegstelsels.

Een lagere achtergrondtemperatuur betekent dat het opgeslokte heelal verder was uitgezet dan het onze, dus ouder was, toen het met het onze in botsing kwam. Een van de andere drie gebieden kent juist een hogere achtergrondtemperatuur dan de rest van het heelal. Dit was dus van jongere leeftijd  toen de botsing plaatsvond.

Opmerkelijk is in ieder geval dat er geen bolsymmetrie aanwezig is: de vlekken zijn niet volmaakt rond. In veel kosmologische theorieën wordt die bolsymmetrie wel verondersteld. Die theorieën kunnen als het hier inderdaad om andere universa gaat,  in hun huidige vorm de prullenmand in.

Wachten op bevestiging
Op dit moment is de Planck satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA metingen aan het uitvoeren. Deze zijn in 2012 afgerond. Planck meet de polarisatie, de richting waarin fotonen van de kosmische achtergrondstraling trillen. Deze is van standaard kosmische achtergrondstraling nul: alle richtingen komen door elkaar voor. Door de heftige vervorming van ruimtetijd bij de botsing zal, als de ‘spots’ inderdaad overblijfselen van zusterheelallen zijn, ook de polarisatierichting in een bepaalde manier afwijken.

Gevolgen voor ons
Het bestaan van alternatieve universa heeft enorme implicaties. Niet langer zullen we opgesloten zijn in dit heelal, wat volgens vrijwel alle kosmologische theorieën uiteindelijk ten dode opgeschreven is. We kunnen wellicht een manier vinden om te ontsnappen naar een jong universum en daar een nieuw bestaan opbouwen.