Een stevig fundament voor de Oerknal

[Gerard]

Nobelprijs natuurkunde / Een stevig fundament voor de Oerknal

Twee Amerikanen, John Mather en George Smoot, krijgen de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun metingen aan de achtergrondstraling waarmee ze de theorie van de Oerknal een stevige basis gaven.
De kosmische achtergrondstraling is het nagloei-effect van de Oerknal. In het begin was de ruimte nog zo heet dat het licht geen doorgang had, maar na zo’n 400.000 jaar kon het ontsnappen. Inmiddels is de straling door het uitdijen van het heelal zo ver afgekoeld dat het overeenkomt met een temperatuur van nog geen drie graden boven het absolute nulpunt.

Het bestaan van de achtergrondstraling was al in 1948 door Ralph Alpher en George Gamov voorspeld, maar ze werd pas in 1964 ontdekt, en dan nog bij toeval. Robert Wilson en Arno Penzias probeerden van alles om de ruis uit de meetgegevens van hun telescoop te verwijderen, totdat ze erachter kwamen dat deze ’ruis’ het lang gezochte bewijs van de Oerknal was. Wilson en Penzias kregen er in 1978 de Nobelprijs voor.

Maar om een echt bewijs te kunnen zijn, moest de kosmische achtergrondstraling aan twee voorwaarden voldoen. De straling moest de energieverdeling hebben van een zogeheten zwart lichaam, de meest basale warmtestraler die fysici kennen. Bovendien moest de straling, die zeer homogeen leek, toch enige rimpeling vertonen. Zonder variaties in de achtergrondstraling konden kosmologen niet verklaren hoe materie na de Oerknal had kunnen samenklonteren tot sterren en sterrenstelsels.

Omdat de aardse atmosfeer de achtergrondstraling verstoort, stelde John Mather in 1974 voor om de straling met een satelliet te gaan meten. Pas in 1989 ging deze satelliet, Cobe, de ruimte in. Negen minuten nadat Cobe was begonnen te meten, rolde het spectrum van een zwart lichaam al uit zijn computer.

Medewinnaar George Smoot was de motor achter de apparatuur van Cobe die de variaties moest meten. Dat bleek nog een hele klus. Aanvankelijk zag het ernaar uit dat die variaties in de orde van één promille moesten zijn. Eind jaren zeventig werd duidelijk dat de zogeheten donkere materie een grote rol had gespeeld bij het ontstaan van het heelal – en de gewone, zichtbare materie derhalve een kleine rol – en dat de variaties nog eens een factor honderd kleiner waren.

Cobe werd opnieuw ontworpen maar het was de vraag of de satelliet dergelijke kleine variaties kon zien. In 1992 legde Cobe met bijgaand beeld de sceptici het zwijgen op. Uit dit soort kleurschakeringen kon bijvoorbeeld de verdeling van gewone en donkere materie worden afgeleid.

De tot dan toe speculatieve kosmologie was in één klap een exacte wetenschap geworden. De beroemde fysicus Stephen Hawking reageerde enthousiast: „Dit is de grootste ontdekking van deze eeuw. Zo niet van alle tijden.”