Meer dan 13 miljard jaar geleden, kort na de oerknal, begonnen de allereerste sterren te schijnen. Hun ultraviolette licht liet een subtiele handtekening achter in de oudste elektromagnetische straling van het universum: de kosmische achtergrondstraling (CMB). Voor het eerst hebben wetenschappers die handtekening vanaf de aarde gedetecteerd.
Met de CLASS-telescopen, hoog in de droge Atacama-woestijn in Noord-Chili, hebben wetenschappers van Johns Hopkins University en de University of Chicago vanaf de aarde het effect van de allereerste sterren gemeten op de nagloei van de oerknal, de zogeheten kosmische achtergrondstraling. En dat is iets om trots op te zijn. “Het signaal van de kosmische achtergrondstraling is erg zwak, terwijl de straling afkomstig van de atmosfeer en de aarde juist sterk is”, vertelt Tobias Marriage, een van de onderzoekers achter de studie, aan Scientias.nl. “Bovendien is het nodig om waarnemingen te doen over een zeer groot deel van de hemel. Het instrument moet dus extreem gevoelig en stabiel zijn, en tegelijkertijd aardse signalen onderdrukken en een groot hemelgebied kunnen bestrijken.” Dat is precies waarom de CLASS-telescopen zo bijzonder zijn: ze zijn gebouwd om deze bijna onzichtbare kosmische echo’s te vangen.
Maar wat is dat eigenlijk, die kosmische achtergrondstraling? Het is een soort straling met golflengten van een paar millimeter, een overblijfsel van de oerknal. Het gepolariseerde deel ervan, waar het hier om gaat, is nog veel zwakker, wel een miljoen keer zwakker dan het gewone microgolflicht. Dat maakt het een hele klus om het te meten, zeker vanaf de aarde waar radiogolven, satellieten en zelfs het weer roet in het eten kunnen gooien.
Wat maakt deze telescopen zo speciaal?
Hoe krijgen wetenschappers dat voor elkaar? “De belangrijkste ruisbronnen zijn instrumentruis en ruis afkomstig van de aarde en de atmosfeer”, legt Charles Bennett, een andere auteur van het onderzoek, uit aan Scientias.nl. Om dat te tackelen, koelen ze de detectoren van de telescopen tot een ijzige 0,15 graden boven het absolute nulpunt; dat is -273 graden Celsius. “Door de temperatuur te verlagen, verminderen we thermische fluctuaties die ruis veroorzaken”, zegt hij. Met andere woorden: hoe kouder, hoe stiller het instrument, en hoe beter het die zwakke signalen kan oppikken.
Daarnaast gebruiken ze polarisatiemodulatie. “Dit lijkt op amplitude-modulatie (AM), zoals bij radio’s”, vertelt Marriage. “Net zoals een radiostation zijn signaal op een specifieke frequentie uitzendt zodat luisteraars kunnen afstemmen, zet de CLASS-modulator het polarisatiesignaal op een specifieke frequentie die we later bij de data-analyse kunnen ‘ontvangen’. Zo kunnen we het signaal beter van de ruis onderscheiden.”
Polarisatie: schittering op de motorkap
Nu even over dat ‘gepolariseerde’ licht. Stel je licht voor als golven die alle kanten op trillen. Als die golven iets raken, zoals elektronen in het vroege heelal, gaan ze netjes in één richting trillen. Dat heet polarisatie. “Ongepolariseerd licht kan gedeeltelijk gepolariseerd raken wanneer het verstrooid wordt door materie”, legt Marriage uit. “In de kosmologie gaat het meestal om verstrooiing van fotonen uit de kosmische achtergrondstraling (CMB) door elektronen. De manier waarop licht wordt gepolariseerd als het weerkaatst op een motorkap, is vergelijkbaar.”
Oudste sterren in het universum
In dit geval verraadt dat patroon iets over de eerste sterren en wanneer ze begonnen te stralen. Die eerste sterren ontstonden tijdens de zogenoemde ‘kosmische dageraad’, zo’n 100 tot 200 miljoen jaar na de oerknal. Hun felle ultraviolette licht scheurde elektronen los uit waterstofatomen, waardoor het heelal langzaam helder werd. “We willen weten hoe vaak een typische foton verstrooid is sinds de eerste sterren ontstonden”, zegt Bennett. “Die verstrooiingen gebeuren doordat ultraviolet licht van vroege sterren en sterrenstelsels elektronen uit waterstofatomen losmaakt. Door het aantal verstrooiingen te meten, onderzoeken we dus wanneer dat ultraviolette licht de elektronen losmaakte – wat leidde tot extra polarisatie van de kosmische microgolfachtergrond.”
Wat hebben ze ontdekt?
Het team mat hoe vaak zo’n lichtdeeltje (foton) uit de oerknal een elektron tegenkwam en van richting veranderde. Eerdere ruimtetelescopen zoals WMAP en Planck hadden al schattingen gemaakt: WMAP dacht aan 8 procent, Planck kwam uit op 5 tot 7 procent. “Door Planck- en CLASS-gegevens samen te analyseren vonden wij een gemeenschappelijk signaal van 5,3 procent”, zegt Marriage. “Met verdere observaties kan deze waarde nog nauwkeuriger worden vastgesteld.” Dat percentage vertelt ons precies wanneer die eerste sterren begonnen te schijnen.
Waarom dit ertoe doet
Deze meting is meer dan een leuk weetje. “Onderzoek van de CMB is cruciaal geweest voor het bepalen van de belangrijkste parameters van de kosmologie”, legt Bennett uit. Een nauwkeurigere bepaling van de optische diepte (de kans dat een foton onderweg verstrooid werd) helpt bij het ontrafelen van fundamentele vraagstukken als donkere materie en neutrino’s.
Met CLASS is nu 75 procent van de hemel in kaart gebracht. In de toekomst willen de onderzoekers verdergaan. “We willen de kans op verstrooiing meten tot aan de ‘kosmische variantiegrens”, vertelt Marriage. Dat is het punt waarop zelfs het beste instrument niet meer kan verbeteren door de natuurlijke variaties in het heelal zelf. “Dat zou het kosmologisch model flink aanscherpen en een sleutelrol spelen in het onderzoek naar de kosmische dageraad.”
