Kosmische achtergrondstraling op de voorgrond

by Nathan van Ree | nov 7, 2017 | Astronomie & Kosmologie, Onderwijs

Onlangs verscheen op deze website een artikel¹ over kosmische achtergrondstraling, ook wel bekend als CMB (een afkorting van de Engelstalige benaming Cosmic Microwave Background). Een oplettende lezer wees terecht op enkele onvolkomenheden in het betreffende artikel, waarvoor dank. Laten we eens kijken naar wat er nu precies aan de hand was.

Kosmische achtergrondstraling

De inleiding van het artikel luidt als volgt: “De kosmische microgolf achtergrondstraling, die vanuit alle richtingen tot ons komt, is veel gelijkmatiger, dan men volgens de oerknaltheorie zou verwachten. Dit betekent, dat direct na de oerknal een overdracht van warmte moest plaatsvinden. Wat echter niet mogelijk was, omdat de theorie beweert, dat de expansiesnelheid in de inflatiefase groter was dan de lichtsnelheid. Aangezien het universum hoogstens 15 miljard jaar oud zou zijn, blijft voor de buitenste gebieden (die 30 miljard lichtjaar van elkaar liggen) te weinig tijd voor een warmteoverdracht.”² Wat is hier nu het bedoelde argument?

Om daarachter te komen moeten we even terug de geschiedenis in. In 1965 probeerden de radioastronomen Arno Penzias en Robert Wilson in New Jersey, Verenigde Staten, gebruik te maken van een grote communicatieontvanger. Daarbij werden ze gehinderd door aanhoudend achtergrondgeluid, dat van alle kanten uit het heelal leek te komen. Niets wat ze probeerden daaraan te doen hielp. Intussen waren wetenschappers van de Princeton Universiteit 50 kilometer verderop aan het proberen juist datgene te ontdekken wat Penzias en Wilson zo stoorde: kosmische achtergrondstraling, een door astrofysicus George Gamow in 1946³⁴voorspeld overblijfsel van de oerknal – een idee waarmee de Belgische priester en wetenschapper Georges Lemaître al in 1927⁵ was gekomen. Toen Penzias en Wilson hulp zochten voor hun ruisprobleem bij Princeton-onderzoeker Robert Dicke, vielen de puzzelstukjes op hun plaats. Het leverde Penzias en Wilson in 1978 de Nobelprijs voor natuurkunde op.⁶

De kosmische achtergrondstraling, die altijd en overal dezelfde stralingstemperatuur en intensiteit heeft, wordt beschouwd als het oudste waargenomen signaal in het heelal. In de eerste paar honderdduizend jaar na de oerknal, zo wil het verhaal, bestond de gloeiend hete materie uit afzonderlijk geladen deeltjes; een dicht plasma waarin straling zich niet kan voortplanten. Na 380.000 jaar was de materie voldoende afgekoeld om energie en materie van elkaar los te koppelen. De eerste ‘vrije’ fotonen die met een korte golflengte en hoge energie werden uitgezonden, vormen de achtergrondstraling die wij nu waarnemen met een lange golf en een lage energie.⁷ Nu inmiddels waarnemingen zijn gedaan door het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) die algemeen worden geduid als zwaartekrachtgolven⁸⁹, hoopt men voorbij de fotonenkoppeling te kunnen kijken, bijvoorbeeld door zwaartekrachtgolven van de inflatie op te kunnen vangen. Dan zouden dus signalen worden waargenomen die nog 380.000 jaar ouder zijn van de CMB (uitgaande van de in de theorie aanhouden tijdsperioden). Uiteraard heeft dit slechts zin als er inderdaad sprake is geweest van inflatie.

De kosmische achtergrondstraling heeft een gemiddelde temperatuur van 2,7 kelvin (2,7 graden boven het absolute nulpunt). In 1991 ontdekte de Amerikaanse COBE-sateliet (COsmic Background Explorer) hierbinnen echter plaatselijke temperatuurvariaties van een honderdste procent. De Amerikaanse Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en de Europese ruimtetelescoop Planck hebben inmiddels deze temperatuurvariaties gedetailleerd in kaart gebracht.¹⁰ Het zijn deze temperatuurverschillen die de kern vormen van het argument waar het hier om gaat.

Wanneer men een kop hete koffie op tafel zet, zal na verloop van tijd de temperatuur van de kamer een heel klein beetje toenemen, terwijl de koffie afkoelt. Uiteindelijk zullen koffie en kamer een gelijke temperatuur krijgen: ze wisselen warmte uit. Dit principe geldt ook op grote schaal. Kort na de vermeende oerknal, zouden er op verschillende locaties in het prille universum verschillende temperaturen zijn ontwikkeld. Nu wil het geval, dat hoe ver twee punten in het universum ook van elkaar verwijderd zijn, ze (nagenoeg) dezelfde temperatuur hebben. Dit weten we vanwege de kosmische achtergrondstraling. Aangezien dit geldt voor afstanden tot voorbij de verste sterrenstelsels die we kennen, kan met de huidige lichtsnelheid niet de benodigde afstand zijn afgelegd binnen de 13,8 miljard jaar die het heelal wordt geacht oud te zijn. Energie kan namelijk niet sneller dan het licht worden overgebracht. Zoals koffie en kamer hun temperatuur hebben uitgewisseld, kan dit niet zijn gebeurd tussen ver van elkaar gelegen punten in het heelal. Toch hebben ze een uniforme temperatuur. Dit wordt het horizonprobleem genoemd.¹¹

Overigens is de opmerking in het Logos-artikel dat de buitenste gebieden 30 miljard jaar van elkaar liggen niet geheel in lijn met wat de huidige seculiere visie op ons universum is. Dergelijke afstanden kunnen namelijk slechts worden bepaald wanneer er sprake is van een statisch heelal, waarin leeftijd kan worden vermenigvuldigd met lichtsnelheid. Aangezien de Hubble-parameter van de tijd afhangt, kan dit niet. Daarbij kan nog worden opgemerkt dat creationisten niet uitgaan van de vermeende leeftijd van het heelal van 13,8 miljard jaar en dat er bovendien zelfs een enkeling bij is die twijfelt aan de constantheid van de lichtsnelheid¹² gedurende het bestaan van het universum.

Een oplossing voor dit probleem wordt wellicht gevonden in de in 1979 door Alan Guth geopperde inflatiehypothese.¹³ Volgens deze hypothese (hij wordt ook wel een theorie genoemd) zwol het universum na de eerste (zeer korte) fractie van zijn bestaan buitengewoon snel op.2Naast een verklaring voor de rimpelingen en wervelingen die ons heelal mogelijk maken (Guth kwam met de hypothese om onder meer de afwezigheid van monopolen in unificatietheorieën op te lossen)¹⁴, zorgde deze hypothese voor een mogelijke oplossing van het horizonprobleem. De thermische uitwisseling tussen alle punten in het piepjonge heelal kon nu hebben plaatsgevonden en toch konden, door de extreem snelle uitdijing tijdens de periode van inflatie daarna, de enorme afstanden bereikt zijn die we nu denken waar te nemen. Als we dit vergelijken met het voorbeeld van het kopje koffie, dan begon deze in een heel klein kamertje waardoor de temperatuursgelijkheid snel bereikt was, vervolgens zwol de kamer met enorme snelheid op, en uiteindelijk stopte deze opzwelling weer, maar de kamer was al op gelijke temperatuur met de koffie gekomen. Wie nu de kamer binnen zou komen in de wetenschap dat de oorspronkelijk hete koffie slechts twee minuten op tafel stond, zou zich even flink achter de oren krabben.

Het probleem met het besproken artikel op de website van Logos is dat de inleiding van het artikel lijkt te beweren dat de temperatuursuitwisseling volgens de theorie tijdens de periode van inflatie zou hebben plaatsgevonden, en dat dit niet mogelijk zou zijn geweest. Het gaat hier in dat geval echter om een misvatting, want de theorie beweert dat de temperatuursgelijkheid al vóór de periode van inflatie is bereikt.

Mogelijke verklaringen

Wanneer men een bewering bestrijdt, is het zaak om wel precies datgene te bestrijden wat de ander beweert. Anders is er sprake van een drogreden die ook wel stroman wordt genoemd. Geheel terecht is er dus kritiek geuit op het genoemde artikel wat betreft het hierboven besprokene. Dit betekent echter niet meteen dat het gehele artikel niet deugt. Wanneer het argument dat in het besproken artikel bedoeld is te maken goed begrepen wordt, blijkt dat er wel degelijk iets voor te zeggen valt. Hiervoor komen we terug bij de kosmische achtergrondstraling of CMB.

In de inductieve wetenschap (waargenomen verschijnselen worden gebracht tot een verklaring voor die verschijnselen) is het zaak om rekening te houden met andere mogelijkheden dan de wellicht meest voor de hand liggende verklaring. Dit dient overigens niet verward te worden met het principe dat de verklaring die de minste aannames behoeft de voorkeur verdient (Ockhams Scheermes). De kosmische achtergrondstraling lijkt een prachtig uitgekomen voorspelling van de oerknaltheorie en die ligt daarmee als verklaring voor de hand.

Het is echter niet de enige mogelijke verklaring. Barry Setterfield redeneert dat het universum in het begin door God is uitgestrekt (hetgeen meerdere keren in de Bijbel wordt genoemd), waarbij nulpuntsenergie (ook wel Zero Point Energy, afgekort ZPE) werd opgebouwd. Op enig moment bereikte deze energie het punt waarop atoomformatie kon beginnen. Kijken we nu terug in de tijd (ver de ruimte in), dan zien we in feite een mistbank met een temperatuur van 5400 kelvin: de temperatuur waarbij waterstofatomen neutrale atomen worden. Aangezien de ZPE na het bereikte maximum is afgenomen (zoals een schommel die wordt losgelaten – waarbij potentiële energie in kinetische energie wordt omgezet – steeds minder hard zal zwaaien en tenslotte tot stilstand zal komen), zijn de golflengten die ons nu bereiken veel langer dan de golflengten die oorspronkelijk werden uitgezonden. Derhalve meten we nu 2,7 kelvin.¹⁵ Uitgebreide onderbouwing van zijn bevindingen is er in de vorm van de monograaf Cosmology and the Zero Point Energy, Natural Philosophy Alliance Monograph Series, No. 1, 2013.¹⁶

Hoewel er meerdere verklaringen voor de waargenomen eigenschappen van de CMB mogelijk zijn, beperken we ons hier tot nog een niet-creationistische optie: die van de astronomen Niayesh Afshordi en João Magueijo.¹⁷ Zij stellen dat het licht zich bij de geboorte van het universum met oneindige snelheid voortbewoog, in een universum met een temperatuur van tien duizend biljoen biljoen graden Celcius. Zij kwamen met deze theorie om, net als de inflatiehypothese dat doet, de gelijkmatigheid van de CMB te verklaren.

Hierboven is gekozen voor enkele afwijkende hypothesen (zowel binnen creationistische als seculiere kringen). In principe betekent de waarneming van CMB op zichzelf ook geen probleem binnen de meer gangbare creationistische kosmologie en past deze bovendien bijvoorbeeld ook in (inmiddels al wat oudere) modellen van bijvoorbeeld Russel Humphreys en Robert Gentry.¹⁸ Los hiervan zijn er ook uit seculiere hoek twijfels geuit aan de interpretatie van de CMB zelf. Zoals zonneschijn schaduw van bewolking genereert op aarde, zou volgens onderzoekers de CMB schaduwen van ‘nabije’ clusters van sterrenstelsels moeten tonen. Bij nauwgezet onderzoek hiernaar bleken die echter te ontbreken.¹⁹

Inflatie als oplossing?

We kunnen dus concluderen dat er meerdere verklaringen mogelijk zijn om het thermische evenwicht van de CMB te verklaren, en die komen zowel uit creationistische als seculiere hoek. Hierbij valt op te merken dat de verklaring van bijvoorbeeld Setterfield niet meer een ad hoc verklaring is dan de inflatiehypothese van Guth of de redenering van Afshordi en Magueijo. Bovendien zijn met elke verklaring aannamen gemoeid en in alle gevallen ontbreekt het aan de mogelijkheid de situatie na te bootsen. Derhalve hebben we het hier in feite over historische wetenschap: er wordt gepoogd een unieke gebeurtenis uit het niet herhaalbare verleden te verklaren.

Is het nu zo dat de inflatiehypothese de beste verklaring biedt? Dat is maar de vraag. Hoewel deze hypothese voorlopig door de meerderheid van de astronomen geaccepteerd lijkt (of in elk geval in de handboeken verschijnt), zitten er nog de nodige haken en ogen aan. Astronomen Anna Ijjas, Paul Steinhardt en Abraham Loeb schreven in februari dit jaar in Scientific American²⁰ dat de combinatie van recente waarnemingen en theoretische problemen rond de inflatietheorie maken dat het tijd wordt voor betere ideeën.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat de op het artikel van Logos geuite kritiek terecht is wat betreft de relatie van thermisch evenwicht met de inflatiehypothese. Derhalve gaat onze dank uit naar de opmerkzame lezer die deze kritiek te berde heeft gebracht. Tegelijkertijd is enige nuance van toepassing als het gaat om de plaats die het gewraakte stukje tekst in het geheel inneemt, temeer daar er in het artikel ook vanuit andere invalshoeken kritiek wordt geleverd op de seculiere interpretatie van de kosmische achtergrondstraling.

Het is goed om elkaar scherp te houden en daar kan opbouwende kritiek een waardevolle bijdrage aan leveren. Tegelijkertijd is het voor alle partijen in het schepping/evolutiedebat, evenals voor de meer neutrale lezer, zaak kritiek – wanneer deze terecht is – te richten op datgene wat een bepaalde partij precies voorstaat, en niet op een geheel of gedeeltelijk onjuiste interpretatie daarvan. Wij hopen dat dit artikel aan dit uitgangspunt een bruikbare bijdrage kan leveren.