Het eerste licht in het heelal Understand article

Vertaald door Erik Crampe met medewerking van Roland Van Kerschaver. Ana Lopes en Henri Boffin nemen ons mee op een reis terug in de tijd, om door te dringen in de geschiedenis van het heelal.

Hebt u zich ooit afgevraagd wanneer het eerste licht begon te schijnen in het heelal? De meesten onder ons hebben al een zonsopkomst gezien: de geboorte van een nieuwe dag. Astronomen gaan een stap verder en zoeken met krachtige telescopen naar de eerste lichtbronnen in de geschiedenis van het heelal. Hun ultieme betrachting is zelfs nog ambitieuzer: de volledige geschiedenis van het heelal beschrijven, vanaf zijn geboorte – de Big Bang – tot vandaag, bijna 14 miljard jaar later.

Foto’s van het heelal

Pas 400 000 jaar na de Big Bang kon licht vrij bewegen in het heelal. Vanaf de oerknal expandeerde het heelal en koelde het af (voor een beschrijving, zie Boffin & Pierce-Price, 2007): hierbij werd het oorspronkelijke licht met hoge frequentie (kleine golflengte) uitgerokken tot fotonen in het microgolfgebied, vandaag te detecteren als kosmische microgolf achtergrondstraling, afkomstig uit alle richtingen van het heelal (roodverschuiving).

Historici gebruiken dikwijls foto’s en andere afbeeldingen om  het verleden te kennen en hierin verschillen astronomen niet.

Door gebruik te maken van de satellieten COBE (Cosmic Background Explorer) en Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)^w1 om de kosmische microgolf achtergrondstraling in kaart te brengen, hebben astronomen een foto gemaakt van hoe het heelal er uitzag ongeveer 400 000 jaar na de Big Bang. Met de data van COBE wonnen John Mather en George Smoot in 2006 de nobelprijs fysica^w2.

Het standaard kosmologisch model leert ons dat ongeveer 400 000 jaar na de Big Bang het heelal afgekoeld was tot 3000 graden Kelvin. Deze temperatuur is voldoende laag zodat electronen en protonen van het geïoniseerde gas kunnen combineren tot neutrale waterstof. Electronen van neutrale waterstof (net als die van andere atomen en moleculen) absorberen zeer goed fotonen, zodat een heelal gevuld met neutrale waterstof donker is. Daarentegen kunnen van elkaar gescheiden electronen en protonen geen fotonen invangen zodat een heelal gevuld met een geïoniseerd gas betrekkelijk lichtgevend is: dit was zo tot omstreeks 400 000 jaar na de Big Bang en dit is vandaag ook weer het geval. De Cobe en WMAP kaarten tonen ons het heelal gedurende zijn donkere fase, aan het begin van de ‘donkere eeuwen’ van het heelal. Deze donkere periode eindigde toen het heelal opnieuw geïoniseerd werd.(zie diagram).

We beschikken ook over ‘foto’s’ van een veel recenter heelal: galaxies vol sterren, zoals ze er uitzagen  1 miljard jaar na de Big Bang, toen het heelal weer helder was geworden. Wegens de eindige lichtsnelheid (300 000 km/s) bereikt het licht van verre objecten ons veel later dan dit van nabije. Daarom zien wij deze ver verwijderde voorwerpen nu, zoals ze er lang geleden uitzagen. Door te kijken naar deze zeer verre objecten zijn astronomen in staat licht te zien dat al 13 miljard jaar onderweg is, dus zien ze die objecten nu zoals ze eruit zagen minder dan 1 miljard jaar na de Big Bang.

Maar wat gebeurde er in de tijd tussen deze 2 foto’s, tussen het vrijkomen van de kosmische microgolf achtergrondstraling 400 000 jaar na de Big Bang en het uitzenden van het licht door deze ver verwijderde galaxieën, bijna 1 miljard jaar later? Wanneer en hoe trok de kosmische nevel op? Wat veranderde er het heelal van een bijna structuurloze zee van deeltjes in een heelal verlicht door talrijke sterren in jonge melkwegstelsels?

Terug naar de analogie van Abraham Loeb, astronoom aan de Harvard universiteit: “De situatie waarin de astronomen zich nu bevinden is dezelfde als die waarin men beschikt over een fotoalbum dat het eerste ultrasoon beeld van een ongeboren baby bevat en enkele andere foto’s van dezelfde persoon later als teenager of volwassene.” (Loeb, 2006). Wat astronomen niet weten –  maar proberen uit te maken – is hoe en wanneer de allereerste sterren en galaxieën ontstonden. Loeb vervolgt: “ Astronomen zijn tegenwoordig de ontbrekende bladzijden aan het zoeken van het kosmisch foto-album, dat zal tonen hoe het heelal zich ontwikkelde gedurende zijn kindertijd en de bouwstenen aanmaakte van de galaxieën zoals onze eigen melkweg.

Vooraleer de sterren gevormd werden, bevatte het heelal voornamelijk waterstof, helium en enkele sporen van lichte elementen (zoals beschreven inRebusco et al., 2007). Om waterstof te ioniseren is een energie vereist van meer dan 13,6 eV – dit is de energie die overeenkomt met de energie van fotonen in het UV-gebied. Wat ook de bron was die het heelal herioniseerde, deze moet aanzienlijke bedragen UV- straling hebben vrijgemaakt.

Alhoewel de astronomen nog onzeker zijn over wat er die ioniserende straling vrijgaf, speculeren ze erover dat het eerder de eerste zeer hete sterren of vroege zwarte gaten waren die deze kolossale hoeveelheden UV-straling vrijgaven als er materie op hen neerviel. Als dit het geval is moeten  sterren gevormd zijn voor het herionisatietijdperk – dus als we de reïonisatie kunnen dateren hebben we op zijn minst een uiterste tijdstip voor het verschijnen van de eerste sterren. Alle effecten waren dan veel heviger dan nu wegens de grotere dichtheid van het heelal toen.

De Ultraviolet voetafdruk

In 1965 voorspelden de Amerikaanse astronomen James Gunn en Bruce Peterson dat de spectra van quasars konden gebruikt worden om de eindstadia van de herionisatieperiode te dateren. Quasars zijn ver verwijderde, oude galaxieën met extreme helderheid, die hun energie vermoedelijk halen  uit materie vallend op reusachtige zwarte gaten in hun centra. Als de quasar zo  veraf is dat het waargenomen licht ervan ontsnapte tijdens de donkere periode zal zijn UV- licht geabsorbeerd zijn door het dan aanwezige neutrale waterstofgas. Als de quasar dichterbij is en het ontvangen licht ervan, slechts uitgezonden werd na de herionisatie zal er geen neutraal waterstof zijn om dit licht te absorberen (zie figuur). Noteer dat terwijl neutrale waterstofatomen alle golflengten van het licht absorberen, de meeste golflengten daarna opnieuw worden uitgezonden. UV- licht daarentegen ioniseert de atomen volledig en wordt volledig geabsorbeerd.

Zelfs als slechts een uiterst klein deel van het intergalactisch medium (bijvoorbeeld een miljoenste  deel) neutraal was toen de quasar het licht uitzond dat we nu waarnemen, zou dit een merkbare stempel hebben afgedrukt op het spectrum, namelijk een onderdrukking van het licht in het UV-gebied, bekend als het Gunn-Petersondal.

Daarom voorspelden James Gunn en Bruce Peterson dat voldoende ver van de aarde verwijderde quasars, waarvan we nu licht ontvangen dat werd uitgezonden voor het einde van de herionisatie, een dal zouden vertonen in hun spectra. Nabijere quasars doen dit niet: ze lieten het licht dat we nu zien op aarde slechts los nadat de reïonisatie beëindigd was.

In 2001 bevestigde een team wetenschappers, geleid door Robert  Becker van de universiteit van Californië USA, de voorspelling van Gunn en Peterson: zij detecteerden een ondubbelzinnig dal in het spectrum van een zeer ver verwijderde quasar, ontdekt tijdens de Sloan Digital Sky Survey^w3, één van de grootste astronomische onderzoeken ooit, dat onderandere de spectra onderzocht van ongeveer 100 000 quasars. Het dal bevond zich in het infrarode deel van het spectrum omdat de quasar zo veraf is: het licht ervan begon zijn reis naar de aarde slechts 900 miljoen jaar na de Big Bang en heeft bijna 13 miljard nodig gehad om ons te bereiken. Gedurende die tijd werd wegens de expansie van het heelal het oorspronkelijke UV-licht uitgerokken tot het infrarood (roodverschuiving). Quasars iets dichter bij de aarde vertonen zulk dal niet. Dit toont aan dat het laatste neutrale waterstof ongeveer 900 miljoen jaar na de Big Bang geioniseerd werd.

De microgolf voetafdruk

De kosmische microgolf achtergrondstraling uitgezonden kort na de Big Bang is een andere informatiebron omtrent de herionisatieperiode.

Als het heelal begon te herioniseren, beïnvloedden de losgelaten electronen de polarisatie van het licht. Een vrij electron kan inwerken op een foton volgens een proces dat Thomson-verstrooiing genoemd wordt:  het electron wordt versneld en het bijbehorend licht wordt gepolariseerd volgens de bewegingsrichting van het electron. Dit effect is het meest uitgesproken gedurende en juist na de herionisatie. Nadien, vermits het heelal bleef expanderen, verminderde de dichtheid van de vrije elektronen en ook hun polariserend effect.

Tussen 2001 en 2006 werd de WMAP ^w1 satelliet gebruikt om de polarisatiegraad te meten van de kosmische microgolf achtergrondfotonen. Door waarnemingen bij verschillende frequenties konden de astronomen verschillende periodes uit de geschiedenis van het heelal bekijken en de polarisatiegraad gaf een aanwijzing voor de vrije electronendichtheid rond die tijd (hoe groter de polarisatie, hoe hoger die vrije electronendichtheid). Uit deze studies concludeerden ze dat de reïonisatie begon rond 400 miljoen jaar na de oerknal en 400 tot 500 miljoen jaar later volledig was. Dit is in overeenkomst met de bevindingen van de quasarstudies: 900 miljoen jaar na de Big Bang.

Verder onderzoek

Op 14 mei 2009 lanceerde de ESA (European Space Agency)^w4 de Plancksatelliet^w5 om ons een foto te verschaffen van de kosmische achtergrondstraling met een hogere gevoeligheid en een  groter scheidend vermogen (hoekresolutie) dan bij de WMAP. Dit zal de astronomen zeker helpen om gedetailleerder de vragen te beantwoorden over hoe de ontwikkeling van ons heelal gebeurde van gloeiende soep tot wat we vandaag zien.

Alhoewel het tijdstip waarop de herionisatie verscheen met succes bepaald werd, ontbreekt nog steeds een foto van het heelal op dat ogenblik, omdat de huidige telescopen het niet kunnen afbeelden. Er is echter goed nieuws: de European Southern Observatory (ESO) samen met astronomen en ingenieurs over heel Europa zijn nu bezig met het ontwerpen van de European Extreme Large Telescope^w6 met 42 m diameter, die ons zal toelaten zo ver terug in de tijd te blikken, dat we waarschijnlijk het eerste sterlicht zullen zien.

References

• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusie in het heelal: we zijn allemaal sterrenstof. Science in School 4.
• Loeb A (2006) The dark ages of the Universe. Scientific American Nov: 46-53. Dit artikel is te downloaden op: www.cfa.harvard.edu/~loeb/sciam.pdf
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusie in het heelal: de bron van alle juwelen. Science in School 5.

Web References

• w1 – Meer informatie over de WMAP satelliet op: http://map.gsfc.nasa.gov
• w2 – Een overzicht van het werk van John Mather en George Smoot over kosmische microgolf achtergrondstraling met Cobe en links naar verdere informatie worden gegeven in de persaankondiging van hun nobelprijs: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
• w3 – De ‘Sloan Digital Sky Survey’ is het meest ambitieuze astronomische onderzoeks-project ooit ondernomen. Eens voltooid, zal het gedetailleerde optische beelden geven van meer dan een kwart van de hemel en een 3-dimensionale kaart van ongeveer een miljoen sterrenstelsels en quasars. Naargelang het onderzoek vordert wordt de aangroei van de data jaarlijks bezorgd aan de wetenschappelijke wereld en het gewone publiek. Zie: www.sdss.org
• w4 – Voor meer informatie over de Europese Ruimtevaartorganisatie zie: www.esa.int
• w5 – Om meer te leren over de Planck satelliet, zie: www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
• w6 – Voor meer informatie over ESO’s Extreem Grote Telescoop, zie: www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

• Het WMAP onderdeel van de NASA website levert enkele hulpmiddelen voor leraars met een kort overzicht van het WMPA project en een inflatoir model van het heelal. Zie: http://map.gsfc.nasa.gov/resources/edresources1.html
• Je kunt je ook nog de volgende artikels laten smaken:
  • Larson RB, Bromm V (2001)The first stars in the Universe. Scientific American Dec: 64-71. Dit artikel is te downloaden op: www.astro.yale.edu/larson/papers/SciAm01.pdf
  • Madau P (2006) Astronomy: trouble at first light. Nature 440: 1002-1003. doi:10.1038/4401002a. Download dit artikel gratis op de website van Science in School, of schrijf vandaag in op Nature: www.nature.com/subscribe
  • Scannapieco E, Petitjean P, Broadhurst T (2002) The emptiest places. Scientific American Oct: 56-63. Dit artikel is te downloaden op: http://scannapieco.asu.edu/papers/sciam.pdf

Institutions

Author(s)

Henri Boffin is een astronoom en journalist met een uitgebreide internationale onderzoekservaring. Als publiek informatieverstrekker voor ESO’s Very Large Telescope en Euopean Extremely Large Telescope, wijdt hij zich zowel aan wetenschapscommunicatie als aan wetenschappelijk onderzoek. Hij is auteur van een aantal populaire Science in School artikels.

Ana Lopes is een redacteur, verbonden aan Nature, het internationaal weekblad voor wetenschappen. Ze behaalde een fysicagraad aan de universiteit van Lisabon (Portugal) en een doctoraat in astrofysica aan de universiteit van Oxford (UK). Ana was voorheen wetenschapsjournalist binnen ESO.

Review

Dit artikel levert interessante en gedetailleerde informatie over modern onderzoek naar de geschiedenis en de evolutie van het heelal. Het kan gebruikt worden voor interdisciplinair onderwijs, bijvoorbeeld in fysica, sterrenkunde, astrofysica of filosofie. Leraars kunnen het gebruiken, zowel als leverancier van waardevolle achtergrondliteratuur of om onderwijsmateriaal te ontwikkelen.

Vangelis Koltsakis, Griekenland

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF