Voor het eerst hebben astronomen met een telescoop op aarde gepolariseerd microgolflicht uit het vroegste tijdperk van het heelal waargenomen. Hun waarnemingen kunnen hen een beter inzicht geven in hoe het heelal is geëvolueerd.
Voor het eerst hebben wetenschappers met telescopen op aarde een blik geworpen op de kosmische dageraad – een tijdperk meer dan 13 miljard jaar geleden toen het licht van de eerste sterren ons heelal begon te hervormen.
Het resterende licht uit dit oude tijdperk heeft een golflengte van millimeters en is uiterst zwak, wat betekent dat hoewel observatoria in de ruimte erin hebben kunnen kijken, het signaal wordt overstemd door de elektromagnetische straling in de atmosfeer van de aarde voordat telescopen op de grond het oerlicht kunnen detecteren.
Maar nu hebben wetenschappers van het Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS)-project met behulp van een speciaal ontworpen telescoop sporen ontdekt die de eerste sterren hebben achtergelaten op het achtergrondlicht van de oerknal. Ze hebben hun bevindingen op 11 juni gepubliceerd in The Astrophysical Journal.
“Mensen dachten dat dit vanaf de grond niet mogelijk was”, zei Tobias Marriage, medeauteur van de studie, projectleider van CLASS en hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Johns Hopkins University, in een verklaring. “Astronomie is een technologiegebonden vakgebied en microgolfsignalen uit de kosmische dageraad zijn notoir moeilijk te meten. Waarnemingen vanaf de grond brengen extra uitdagingen met zich mee in vergelijking met waarnemingen vanuit de ruimte. Het overwinnen van deze obstakels maakt deze meting tot een belangrijke prestatie.”
Het CLASS-observatorium ligt op een hoogte van 5138 meter in het Andesgebergte in de Atacama-woestijn in het noorden van Chili. De telescoop, die in 2016 voor het eerst in gebruik werd genomen, is afgestemd op het onderzoeken van de hemel op microgolf frequenties. Naast het in kaart brengen van 75% van de nachtelijke hemel, maakt de ongekende gevoeligheid van de telescoop het mogelijk om microgolfsignalen te ontvangen van de kosmische dageraad, oftewel de eerste miljard jaar van het bestaan van het universum.
Gedurende de eerste 380.000 jaar na de oerknal was het universum gevuld met een wolk van elektronen die zo dicht was dat licht er niet doorheen kon. Maar uiteindelijk breidde ons heelal zich uit en koelde het af, waarna de elektronen werden gevangen door protonen en waterstofatomen vormden.
Deze waterstofatomen zorgden er niet alleen voor dat licht met een microgolfgolflengte zich vrij kon bewegen – waardoor de ruimte werd gevuld met de kosmische microgolfachtergrond (CMB) – maar ook dat het, waar het dicht genoeg was, onder invloed van de zwaartekracht instortte en ontbrandde om de eerste sterren te vormen. Het licht van deze sterren reïoniseerde vervolgens zakken met niet-gebundeld waterstofgas, waardoor hun elektronen werden gescheiden, zodat sommige in botsing kwamen met het licht van de CMB, waardoor het gepolariseerd raakte.
Het signaal van dit gepolariseerde deel van de CMB is een essentieel onderdeel van de kosmologische puzzel; zonder dit signaal blijft ons beeld van het vroege heelal vaag.
Hoewel eerdere ruimte-telescopen, zoals de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) van NASA en de Planck-ruimtetelescoop van het Europees Ruimteagentschap, deze leemte gedeeltelijk hebben opgevuld, bevatten hun beelden ruis en konden ze, omdat het satellieten zijn, niet worden aangepast en verbeterd nadat ze in een baan om de aarde waren gebracht.
“Het nauwkeuriger meten van dit reïoniseringssignaal is een belangrijke grensverlegging in het onderzoek naar de kosmische microgolfachtergrond”, aldus medeauteur Charles Bennett, hoogleraar natuurkunde aan de Johns Hopkins University en leider van de WMAP-ruimtemissie, in de verklaring.
Om tot deze waarnemingen te komen, hebben de onderzoekers de gegevens van de CLASS-telescoop vergeleken met die van de Planck- en WMAP-missies, waardoor een gemeenschappelijk signaal voor het gepolariseerde microgolflicht kon worden geïdentificeerd.
“Voor ons is het universum als een natuurkundig laboratorium. Betere metingen van het universum helpen ons om ons begrip van donkere materie en neutrino’s, overvloedige maar ongrijpbare deeltjes die het universum vullen, te verfijnen”, voegde Bennett toe. “Door in de toekomst aanvullende CLASS-gegevens te analyseren, hopen we de hoogst mogelijke nauwkeurigheid te bereiken.”
