Astronomen meten de temperatuur van het heelal van nog geen miljard jaar na de oerknal

Het object is een wolk van waterdamp in een sterrenstelsel dat zo ver weg is dat we hem zien zoals hij er slechts 880 miljoen jaar na de oerknal uitzag. De schaduw ontstaat doordat de koudere waterdamp de warmere achtergrondstraling absorbeert op zijn weg naar de aarde. Uit de mate van ‘verduistering’ hebben de astronomen¹ de toenmalige temperatuur van de kosmische achtergrondstraling kunnen afleiden.

De kosmische achtergrondstraling is een overblijfsel van de hete oerknalfase van het heelal en bereikt ons vanuit alle richtingen. Deze straling is, ten gevolge van de uitdijing van het heelal, mettertijd steeds verder afgekoeld. Daarbij geldt dat in de tijd dat de afstanden tussen verre sterrenstelsels met een factor 2 toenemen, de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling halveert. Tussen het moment dat de kosmische achtergrondstraling vrijkwam en nu is het heelal ongeveer 1100 keer groter geworden en is haar temperatuur gedaald tot 3 kelvin (–270 °C).

Het directe verband tussen de uitdijing van ons heelal en de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling betekent dat deze laatste waardevolle informatie bevat. Als we haar temperatuur op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis kunnen meten, kunnen we nagaan of – en in welke mate – de uitdijingssnelheid van het heelal in de loop van de tijd is veranderd.

Waterwolk

Het meten van de CMB-temperatuur op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis is echter nogal moeilijk. Desondanks was het astronomen al gelukt om, aan de hand van het zogeheten Sjoenjajev-Zeldovitsj-effect, de kosmische uitdijingssnelheid van de afgelopen 6 miljard jaar te herleiden. En ook voor de periode tussen 10 en 11,7 miljard jaar geleden waren al enkele meetpunten beschikbaar.

Het nieuwe resultaat gaat aanzienlijk verder en levert een meetwaarde op voor de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling op het moment dat het heelal nog geen miljard jaar oud was. Omdat de onderzochte verre ‘waterwolk’ koeler is dan de toenmalige kosmische achtergrondstraling, absorbeert hij een deel van deze straling. En de sterkte van zo ontstane ‘absorptieschaduw’ geeft een indicatie van het temperatuurverschil tussen de wolk en de kosmische achtergrondstraling.

Uit hun waarnemingen leiden de astronomen af dat de kosmische achtergrondstraling destijds een temperatuur van 16,4 tot 30,2 kelvin moet hebben gehad. Dat is in overeenstemming met de temperatuur van 20 kelvin, zoals die door kosmologische modelberekeningen wordt voorspeld. Ook voor deze vroege kosmische periode lijkt het verband tussen de uitdijing van het heelal en de afkoeling van de kosmische achtergrondstraling dus op te gaan.

Beeld: Het NOEMA-observatorium in de Franse Alpen. (IRAM)

Noten

1. Nature, 2 februari