Kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė (KFMS)

Kosmische achtergrond microgolfstraling (KFMS)

De overgebleven straling van de tijd dat het universum transparant werd, ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal

De kosmische microgolfachtergrond (CMB) wordt vaak beschreven als het oudste licht dat we in het universum kunnen waarnemen – een zwakke, bijna uniforme gloed die de hele ruimte doordringt. Het ontstond tijdens een cruciale periode ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal, toen het oorspronkelijke plasma van elektronen en protonen samensmolt tot neutrale atomen. Tot dat moment werden fotonen vaak verstrooid door vrije elektronen, waardoor het universum ondoorzichtig was. Toen er voldoende neutrale atomen waren gevormd, werd verstrooiing zeldzamer en konden fotonen vrij reizen – dit moment wordt recombinatie genoemd. Sindsdien reizen die fotonen door de kosmos, terwijl ze geleidelijk afkoelen en hun golflengte verlengen naarmate het universum uitdijt.

Tegenwoordig worden deze fotonen waargenomen als microgolfstraling, die bijna perfect overeenkomt met het spectrum van zwarte stralingslichamen en een temperatuur van ongeveer 2,725 K heeft. CMB-onderzoeken hebben een revolutie teweeggebracht in de kosmologie, waarbij inzichten werden onthuld over de samenstelling, geometrie en evolutie van het universum – van vroege dichtheidsstoornissen die leidden tot de vorming van sterrenstelsels, tot nauwkeurige schattingen van fundamentele kosmologische parameters.

In dit artikel bespreken we:

  1. Historische ontdekking
  2. Het heelal tot en tijdens recombinatie
  3. Belangrijkste CMB-eigenschappen
  4. Anisotropieën en vermogensspectrum
  5. Belangrijkste CMB-experimenten
  6. Kosmologische beperkingen uit CMB
  7. Huidige en toekomstige missies
  8. Conclusies

2. Historische ontdekking

2.1 Theoretische voorspellingen

Het idee dat het vroege heelal heet en dicht was, gaat terug op het werk van George Gamow, Ralph Alpher en Robert Herman in de jaren 1940. Zij realiseerden zich dat als het heelal begon met een "hete Oerknal", de oorspronkelijke toen uitgezonden straling zou moeten blijven bestaan, maar afgekoeld en uitgerekt tot het microgolfgebied. Ze voorspelden een zwartlichaamspectrum met een temperatuur van enkele kelvins, maar dit idee kreeg lange tijd weinig experimentele aandacht.

2.2 Observatieontdekking

In 1964–1965 bestudeerden Arno Penzias en Robert Wilson van Bell Labs ruisbronnen met een uiterst gevoelige, hoornvormige radio-ontvanger. Ze ontdekten een constante achtergrondruis die isotroop was (in alle richtingen hetzelfde) en niet afnam ondanks alle kalibratiepogingen. Tegelijkertijd bereidde een groep van Princeton University (onder leiding van Robert Dicke en Jim Peebles) zich voor om de "overgebleven straling" van het vroege heelal te zoeken, wat een theoretische voorspelling was. Toen de twee groepen met elkaar gingen communiceren, bleek dat Penzias en Wilson de CMB hadden ontdekt (Penzias & Wilson, 1965 [1]). Deze ontdekking leverde hen in 1978 de Nobelprijs voor Natuurkunde op en bevestigde het Oerknalmodel als de dominante theorie over het ontstaan van het heelal.

3. Het heelal tot en tijdens recombinatie

3.1 Oorspronkelijke plasma

In de eerste paar honderdduizend jaar na de Oerknal was het heelal gevuld met een hete plasma van protonen, elektronen, fotonen en (in mindere mate) heliumkernen. Fotonen werden voortdurend verstrooid door vrije elektronen (Thomsonverstrooiing), waardoor het heelal effectief ondoorzichtig was, vergelijkbaar met hoe licht moeilijk door het plasma van de zon dringt.

3.2 Recombinatie

Toen het heelal uitdijde, koelde het af. Ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal daalde de temperatuur tot ongeveer 3.000 K. Bij dit energieniveau konden elektronen zich binden aan protonen om neutraal waterstof te vormen – dit proces noemen we recombinatie. Toen vrije elektronen "bonden" tot neutrale atomen, nam de verstrooiing van fotonen sterk af en werd het heelal transparant voor straling. De CMB-fotonen die we vandaag waarnemen, zijn dezelfde fotonen die op dat moment werden uitgezonden, maar die meer dan 13 miljard jaar hebben gereisd en door de roodverschuiving zijn "uitgerekt".

3.3 Oppervlak van laatste verstrooiing

De periode waarin fotonen voor het laatst significant verstrooid werden, noemen we het oppervlak van laatste verstrooiing. In werkelijkheid was recombinatie geen momentgebeurtenis; het kostte enige tijd (en een interval in roodverschuiving) voordat de meeste elektronen zich aan protonen bonden. Voor praktische doeleinden kunnen we dit proces echter benaderen als een vrij dunne "tijdsschil" – de oorsprong van de CMB.

4. Belangrijkste eigenschappen van de CMB

4.1 Spectrum van een zwart lichaam

Een van de verbluffende resultaten van CMB-waarnemingen is dat de straling bijna perfect overeenkomt met het spectrum van een zwart lichaam, met een temperatuur van ongeveer 2,72548 K (nauwkeurig gemeten met het COBE-FIRAS instrument [2]). Dit is het nauwkeurigst gemeten spectrum van een zwart lichaam. De bijna perfecte aard van het zwarte lichaam ondersteunt sterk het model van de Oerknal: een zeer thermisch in evenwicht zijnd vroeg heelal dat adiabatisch afkoelt tijdens de expansie.

4.2 Isotropie en homogeniteit

Vroege waarnemingen toonden aan dat de CMB bijna isotroop is (dat wil zeggen, met gelijke intensiteit in alle richtingen) tot op 1 deel in 105. Deze bijna uniforme verdeling betekent dat het heelal tijdens recombinatie zeer homogeen en in thermisch evenwicht was. Toch zijn kleine afwijkingen van isotropie – de zogenaamde anisotropieën – essentieel, omdat ze vroege aanwijzingen voor structuurvorming weerspiegelen.

5. Anisotropieën en vermogensspectrum

5.1 Temperatuurfluctuaties

In 1992 ontdekte het COBE-DMR (Differential Microwave Radiometer) experiment kleine temperatuurfluctuaties in de CMB – op het niveau van ongeveer 10−5. Deze fluctuaties worden weergegeven op een "temperatuurkaart" aan de hemel, die kleine "warme" en "koude" plekken toont, overeenkomend met iets dichtere of minder dichte gebieden in het vroege heelal.

5.2 Akoestische oscillaties

Tot aan recombinatie waren fotonen en baryonen (protonen, neutronen) sterk gekoppeld en vormden ze een foton-baryonenvloeistof. In deze vloeistof ontstonden dichttegolven (akoestische oscillaties) door de zwaartekracht die materie naar binnen trok en de stralingsdruk die naar buiten duwde. Toen het heelal transparant werd, "bevroren" deze oscillaties en lieten karakteristieke sporen achter in het CMB-vermogen spectrum – een kaart die laat zien hoe temperatuurfluctuaties afhangen van de hoekgrootte. Belangrijke kenmerken:

  • Eerste akoestische piek: gerelateerd aan de grootste schaal die een halve periode oscillatie kon voltooien vóór recombinatie; maakt het mogelijk de geometrie van het heelal te beoordelen.
  • Andere pieken: geeft informatie over de dichtheid van baryonen, de dichtheid van donkere materie en andere kosmologische parameters.
  • Onderdrukkingsstaart: op zeer kleine hoekschalen worden fluctuaties onderdrukt door fotonendiffusie (Silk-demping).

5.3 Polarisatie

Naast temperatuurfluctuaties is de CMB deels gepolariseerd door Thomsonverstrooiing in een anisotroop stralingsveld. Er worden twee hoofdpolarisatiemodi onderscheiden:

  • E-type (E-mode) polarisatie: ontstaat door scalaire dichtheidsverstoring; voor het eerst gedetecteerd door het DASI-experiment in 2002 en nauwkeurig gemeten met WMAP- en Planck-gegevens.
  • B-type (B-mode) polarisatie: kan voortkomen uit primaire gravitatiegolven (bijv. ontstaan tijdens inflatie) of door lensing van E-type polarisatie. Het primaire B-type polarisatiesignaal zou een directe afdruk van inflatie zijn. Hoewel lensing-geïnduceerde B-modi al zijn gedetecteerd (bijv. in POLARBEAR, SPT en Planck-samenwerkingen), is de zoektocht naar primaire B-modi nog gaande.

6. Belangrijkste CMB-experimenten

6.1 COBE (Cosmic Background Explorer)

  • Uitgebracht in 1989 door NASA.
  • FIRAS-instrument bevestigde uiterst nauwkeurig het zwarte-lichaamspectrum van de CMB.
  • DMR-instrument ontdekte als eerste grootschalige temperatuuranisotropieën.
  • Versterkte de oerknaltheorie stevig door fundamentele twijfels weg te nemen.
  • Onderzoekers John Mather en George Smoot ontvingen in 2006 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun werk met COBE.

6.2 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

  • Gelanceerd in 2001 door NASA.
  • Leverede gedetailleerde kaarten van de CMB-temperatuur (en later ook polarisatie) over de hele hemel met een hoekresolutie van ~13 boogminuten.
  • Precisieverbeterde de belangrijkste kosmologische parameters, zoals de leeftijd van het heelal, de Hubble-constante, de dichtheid van donkere materie en het aandeel donkere energie.

6.3 Planck (ESA-missie)

  • Werkte van 2009 tot 2013.
  • Had een betere hoekresolutie (~5 boogminuten) en gevoeligheid bij temperatuurmetingen vergeleken met WMAP.
  • Matigde anisotropieën in temperatuur en polarisatie van de hele hemel op meerdere frequenties (30–857 GHz).
  • Ze hebben de meest gedetailleerde CMB-kaarten tot nu toe gemaakt, de kosmologische parameters verder verfijnd en het ΛCDM-model stevig bevestigd.

7. Kosmologische beperkingen uit CMB

Door de inspanningen van deze en andere missies is de CMB een van de hoekstenen geworden bij het bepalen van kosmologische parameters:

  1. Geometrie van het heelal: De positie van de eerste akoestische pieken wijst erop dat het heelal bijna ruimtelijk vlak is (Ωtotal ≈ 1).
  2. Donkere materie: De relatieve hoogten van akoestische pieken maken het mogelijk de dichtheid van donkere materie (Ωc) en baryonische materie (Ωb) te bepalen.
  3. Donkere energie: Door CMB-gegevens te combineren met andere waarnemingen (bijv. supernovadistances of baryonische akoestische oscillaties) kan het aandeel donkere energie (ΩΛ) in het heelal worden bepaald.
  4. Hubbleconstante (H0): De hoekmaat van akoestische pieken maakt indirecte bepaling van H0 mogelijk. Huidige CMB-gegevens (van Planck) tonen H0 ≈ 67,4 ± 0,5 km s−1 Mpc−1, maar dit resultaat botst met lokale metingen (de "afstandstrap"), die ongeveer 73 aangeven. Dit verschil, de zogenaamde Hubble-spanning, wordt geprobeerd op te lossen door lopend kosmologisch onderzoek.
  5. Inflatieparameters: CMB-anisotropieën beperken de amplitude en spectrale index van primaire fluctuaties (As, ns), wat belangrijk is voor het evalueren van inflatiemodellen.

8. Huidige en toekomstige missies

8.1 Grond- en ballonwaarnemingen

Na WMAP en Planck verfijnen verschillende zeer gevoelige grond- en ballon-telescopen de CMB-temperatuur- en polarisatiemetingen verder:

  • Atacama Cosmology Telescope (ACT) en South Pole Telescope (SPT): grote apertuurtelescopen voor het meten van kleine hoekschalige CMB-anisotropieën en polarisatie.
  • Ballonexperimente: zoals BOOMERanG, Archeops en SPIDER, die hoge-resolutiemetingen uitvoeren op hoogte in de nabijruimte.

8.2 Zoektocht naar B-modi

Projecten zoals BICEP, POLARBEAR en CLASS richten zich op het detecteren of beperken van B-type polarisatie. Als primaire B-polarisatie boven een bepaald niveau wordt bevestigd, zou dit direct het bestaan van gravitatiegolven uit de inflatiefase bewijzen. Hoewel vroege claims (bijv. BICEP2 in 2014) later werden toegeschreven aan galactische stofvervuiling, gaat de zoektocht naar een "schone" ontdekking van primaire B-modi door.

8.3 Missies van de volgende generatie

  • CMB-S4: Gepland grondproject met een grote telescoopmassa om de CMB-polarisatie zeer nauwkeurig te meten, vooral op kleine hoekschalen.
  • LiteBIRD (geplande JAXA-missie): Satelliet bedoeld om grootschalige CMB-polarisatie te bestuderen, met name op zoek naar sporen van primaire B-polarisatie.
  • CORE (voorgestelde ESA-missie, momenteel niet bevestigd): zou de gevoeligheid van Planck's polarisatiemetingen hebben verbeterd.

9. Conclusies

De kosmische microgolfachtergrond biedt een uniek "venster" naar het vroege universum, slechts enkele honderdduizenden jaren na de Oerknal. Metingen van de temperatuur, polarisatie en subtiele anisotropieën bevestigden het Oerknalmodel, bewezen het bestaan van donkere materie en donkere energie, en vormden het precieze kosmologische ΛCDM-raamwerk. Bovendien blijft de CMB de grenzen van de fysica verleggen: van de zoektocht naar primordiale zwaartekrachtsgolven en het testen van inflatiemodellen tot mogelijke aanwijzingen voor nieuwe fysica gerelateerd aan de Hubble-spanning en andere vraagstukken.

Met toekomstige experimenten die de gevoeligheid en hoekresolutie vergroten, staat ons een nog rijkere oogst aan kosmologische data te wachten. Of het nu gaat om het verfijnen van onze kennis over inflatie, het bepalen van de aard van donkere energie, of het ontdekken van sporen van nieuwe fysica, de CMB blijft een van de krachtigste en meest betekenisvolle instrumenten in de moderne astrofysica en kosmologie.

Verwijzingen en verdere lectuur

  1. Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s.” The Astrophysical Journal, 142, 419–421. [Nuoroda]
  2. Mather, J. C., et al. (1994). “Measurement of the Cosmic Microwave Background Spectrum by the COBE FIRAS Instrument.” The Astrophysical Journal, 420, 439. [Nuoroda]
  3. Smoot, G. F., et al. (1992). “Structure in the COBE DMR First-Year Maps.” The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5. [Nuoroda]
  4. Bennett, C. L., et al. (2013). “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 208, 20. [Nuoroda]
  5. Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6. [arXiv:1807.06209]
  6. Peebles, P. J. E., Page, L. A., & Partridge, R. B. (eds.). (2009). Finding the Big Bang. Cambridge University Press. – Historisch en wetenschappelijk perspectief op de ontdekking en betekenis van de CMB.
  7. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Een uitgebreide beschrijving van de vroege fysica van het universum en de rol van de CMB daarin.
  8. Mukhanov, V. (2005). Fysieke Grondslagen van de Kosmologie. Cambridge University Press. – Behandelt uitgebreid kosmische inflatie, CMB-anisotropieën en de theoretische fundamenten van de moderne kosmologie.
Keer terug naar de blog