Op zoek naar de kosmische stukadoor

Hoe is het universum geworden wat het nu is? Op die vraag zou adjunct hoogleraar theoretische natuurkunde Diederik Roest heel graag het antwoord willen weten. Hij heeft onlangs een subsidie gekregen om te onderzoeken hoe inflatie, de kosmische stukadoor, het heelal heeft gevormd.

Het gebeurde bijna direct na de Oerknal. In een onmogelijke korte tijd werd het universum immens veel groter. Hoeveel immens is? Ongeveer 1,000,000,000,000,000,000,000 keer. ‘Het resultaat van dit proces dat we ‘inflatie’ noemen is dat het hele universum is gladgetrokken’, legt theoretisch natuurkundige Diederik Roest uit. ‘De uitdijing was extreem en werkte als een soort kosmische stukadoor: alles in het heel universum was hierna helemaal hetzelfde.’ Nou ja helemaal, behalve dan waar kwantumfluctuaties optraden.

Deze kwantumfluctuaties produceren zogeheten virtuele deeltjes, in paren, uit het niets. ‘Er verschijnen voortdurend paren van deeltjes en anti-deeltjes, maar die recombineren bijna onmiddellijk waarbij ze weer verdwijnen in het niets’, zegt Roest. Ze zijn weg voordat iemand ze kan waarnemen. Maar toen het universum zo snel uitdijde tijdens de inflatie werden dit soort paren uiteengerukt, waarna ze elkaar niet meer konden terugvinden om te recombineren. En dus verdwenen ze niet.

Dit betekent dat het universum na de inflatie compleet gladgestreken was – met alleen enorme aantallen verweesde subatomaire deeltjes. ‘En toen nam de zwaartekracht het over. Hoewel die deeltjes enorm klein waren trokken ze elkaar via de zwaartekracht toch aan.’ Zo begonnen ze samen te klonteren en vormden steeds grotere structuren. Dit waren de zaadjes waaruit op den duur melkwegstelsels en de andere grote structuren in het universum ontstonden.

Hoe weten we dit eigenlijk allemaal? Wel, de vroege onregelmatigheden in de kosmische structuur die deze zaadjes veroorzaakten hebben een soort afdruk achtergelaten in de kosmische achtergrondstraling (afgekort als CMB, cosmic microwave background), het eerste licht dat kon ontsnappen toen de dichte mist die het universum de eerste 300.000 jaar na de Oerknal ondoorzichtig maakte, optrok. ‘Er zitten twee soorten fluctuaties in die CMB’, legt Roest uit. ‘Fluctuaties in de dichtheid zien we als temperatuurverschillen. Maar er zouden ook zwaartekrachtsgolven moeten zijn die de polariteit van het CMB licht beïnvloeden.’ De polariteit is de richting waarin de lichtgolven trillen.

Wetenschappers bestuderen de temperatuurverschillen al tientallen jaren, de laatste en meest nauwkeurige metingen kwamen onlangs van de Planck satelliet. ‘Op basis van dit soort metingen van zeer kleine temperatuurverschillen hebben natuurkundigen theoretische modellen opgesteld die de inflatie beschrijven.’ Er zijn verschillende modellen, die verschillende uitspraken doen over de manier waarop inflatie het universum heeft gevormd.

Deze modellen voorspellen ook de gevolgen die de zwaartekrachtgolven hebben op de CMB - golven die overigens nog nooit zijn waargenomen. En dat verklaart de recente opwinding over deze materie. Amerikaanse wetenschappers concludeerden op basis van gegevens van het BICEP-2 experiment op de Zuidpool dat zij polarisatie konden zien in de CMB die was veroorzaakt door de zwaartekrachtgolven afkomstig uit de inflatie. Maar al snel bleek dat die conclusie niet juist was.

‘Dat is zeker niet het einde voor het idee van inflatie’, waarschuwt Roest. ‘Dat er zo’n periode van inflatie is geweest is al op talloze manieren bevestigd. Het feit dat BICEP-2 toch geen sporen van die zwaartekrachtgolven heeft gevonden levert ons bovendien belangrijke informatie op: we weten nu dat die golven te zwak waren om ze via dit experiment te kunnen detecteren. Dat geeft ons een limiet voor de kracht van die golven.’ Sterker nog, Roest is eigenlijk wel blij dat de BICEP-2 resultaten niet klopten. ‘Onze favoriete modellen voor inflatie stonden niet toe dat de zwaartekrachtgolven zo krachtig waren als het BICEP-2 team suggereerde!’

Roest heeft vorige maand een subsidie van 225.000 euro ontvangen van FOM, de stichting voor fundamenteel onderzoek der materie. Hiermee gaat hij de theoretische modellen voor inflatie een steviger basis geven. Het project heeft als titel A scale model for the early Universe (Een schaalmodel voor het vroege universum). ‘De gegevens die Planck over de temperatuurverschillen in de CMB heeft verzameld en de BICEP-2 resultaten geven de grenzen voor deze theoretische modellen aan. Maar dan nog blijven er verschillende klassen van modellen over die binnen deze grenzen de inflatie correct beschrijven. De vraag is waarom verschillende theorieën een vergelijkbaar resultaat opleveren.’ Dat zou kunnen wijzen op een fundamentelere onderliggende theorie.

Een ander interessant onderwerp is dat zwaartekrachtgolven een kwantumfenomeen zijn. ‘Daarom hebben we een theorie voor kwantumzwaartekracht nodig om ze te verklaren.’ En die kwantumzwaartekracht blijft al decennia ongrijpbaar, ondanks de inzet van talloze theoretisch natuurkundigen. ‘Wij denken dat de snaartheorie hier een oplossing kan bieden.’

Het FOM project voorziet in de aanstelling van een promovendus die samen met Roest deze hele grote vragen gaat aanpakken. ‘Uiteindelijk willen we weten waarom het universum eruit ziet zoals het nu is.’ En in het werk van de kosmische stukadoor – dat die kleine fluctuaties in de CMB heeft opgeleverd – zou het antwoord moeten liggen.

Diederik Roest maakt deel uit van het Van Swinderen Institute for Particle Physics and Gravity

Lees ook: Het ontstaan van alles Gesprek over natuurkunde met eredoctor Renata Kallosh en haar man Andrei Linde.

De Rijksuniversiteit Groningen biedt een bachelor en master in natuurkunde aan.