Naar de content

Toch geen zwaartekrachtgolven oerknal ontdekt

Conclusies BICEP2 definitief onderuit gehaald

ESA/Planck Collaboration

Vorig jaar maart leek de BICEP2-telescoop zwaartekrachtgolven van de oerknal op het spoor te zijn. Die controversiële conclusie is nu definitief onderuit gehaald, met behulp van metingen van de Planck-satelliet en het Keck Array.

19 februari 2015

De Keck-telescopen (middelste twee) op Hawaï.

 Vadim Kurland via CC BY 2.0

Het had zo mooi kunnen zijn. Als de sporen van zwaartekrachsgolven van de oerknal in de kosmische achtergrondstraling echt waren geweest, dan hadden de ontdekkers wellicht hun opwachting kunnen maken bij het Nobelprijscomité in Zweden.

Maar het doek is gevallen. Wetenschappers van BICEP2 hebben in samenwerking met het team achter de Planck-satelliet geconcludeerd dat het gemeten signaal voor het grootste deel hoogstwaarschijnlijk afkomstig is van stof in onze eigen Melkweg. En daarmee valt de claim dat het signaal juist grotendeels door zwaartekrachtgolven is veroorzaakt.

BICEP2 is een speciale telescoop op Antarctica die speurde naar zogenoemde B-modes in de kosmische achtergrondstraling (zie afbeelding). Dit zijn krulpatronen die mogelijk afkomstig zijn van zwaartekrachtgolven die vlak na de oerknal ontstonden, tijdens een periode waarin het heelal extreem snel uitdijde. Wetenschappers noemen dit de inflatieperiode.

Twee maanden nadat de BICEP2-wetenschappers stelden dat ze deze B-modes hadden gevonden én dat dit een spoor was van zwaartekrachtgolven van de oerknal kwam er al serieuze kritiek. In een wetenschappelijk artikel schreven collega-astronomen dat er nauwelijks rekening werd gehouden met de mogelijkheid dat het signaal werd veroorzaakt door stof in onze eigen Melkweg. In september verscheen de eerste publicatie op basis van data van de Planck-satelliet die deze kritiek ondersteunde met metingen.

Daan Meerburg, postdoc aan het Canadian Institute for Theoretical Astrophysics zegt daarom dat deze nieuwe publicatie geen verrassing is. “Er waren al behoorlijk wat aanwijzingen die deze kant op wezen. Maar ik vind het nu juist interessant dat het niet hélemaal uit te sluiten dat er zwaartekrachtgolven van de oerknal zijn gevonden. Het is nog steeds mogelijk dat ze zijn gemeten.”

Een kaart van de kosmische achtergrondstraling gemeten door de Planck-satelliet. Het wordt ook wel de babyfoto van het universum genoemd omdat deze straling werd uitgezonden op het moment dat het heelal doorzichtig werd, ongeveer 380.000 jaar na de oerknal. De kaart laat iets warmere gebieden (in rood) zien tussen gebieden waar de temperatuur lager is (blauw).

 ESA
Groeispurt van het heelal

De zogenoemde inflatietheorie werd als eerst gepresenteerd door de Amerikaanse kosmoloog Alan Guth. Hij stelde dat het universum 10-35 seconden na de oerknal een enorme groeispurt doormaakte. Binnen een fractie van die eerste seconde werd het universum 1028 maal groter, om daarna veel trager uit te dijen. Guth loste met zijn idee verschillende problemen op waar de oerknaltheorie destijds mee kampte. Onder andere Andrei Linde ontwikkelde de inflatietheorie verder. Kennislink interviewde onlangs Alan Guth in het artikel: ‘Ik heb geen idee waar de natuurwetten vandaan komen’.

Uitzonderlijke claims

Hoe ontstond deze claim eigenlijk, waarvoor het team achter BICEP2 nu zo door het stof moet? Waarom hebben ze de hoeveelheid polariserend stof in onze Melkweg zo onderschat?

Waren ze naïef wat dat betreft? “Absoluut niet”, zegt Meerburg, die vorig jaar nog aan de Princeton-universiteit werkte waarvandaan stevige kritiek kwam op de resultaten. “Deze onderschatting deden vrijwel alle wetenschappers aanvankelijk. Als je kijkt naar onderzoeksvoorstellen uit die tijd, dan gebruikten ze allemaal dezelfde stofmodellen. Ook de WMAP- en de Planck-satelliet.”

De wetenschappers van BICEP2.

 Stephanie Mitchell

Door deze stofmodellen dachten de betrokken wetenschappers dat ze naar een gebied in de hemel keken waar relatief weinig galactisch stof was die de metingen aan de kosmische achtergrondstraling zouden verstoren. Uiteindelijk bleek die aanname onjuist en trokken ze vervolgens de verkeerde conclusie. “Ze hebben de hoeveelheid stof nog wel proberen te controleren maar daarin zijn ze onzorgvuldig geweest”, zegt Meerburg. “Ze gebruikten ingescande slides die het Planck-team in een presentatie had laten zien. Die waren helemaal niet bedoeld voor vervolgonderzoek door andere wetenschappers.”

Al snel spitste de kritiek van andere wetenschappers zich op die stofmodellen. “Mijn baas op Princeton, professor David Spergel, publiceerde daarover. Het werd eigenlijk steeds duidelijker dat er iets niet klopte aan de claims van BICEP2. En de uitzonderlijke claim die ze deden vereiste uitzonderlijke metingen”, stelt Meerburg.

Maar waarom heeft niemand in BICEP2 ingegrepen? Meerburg zegt dat er vanuit Princeton werd gespeculeerd dat het misschien komt door het team van relatief jonge wetenschappers: “De analyse van de data was van uitzonderlijke kwaliteit, alleen de conclusies die er aan de resultaten werden verbonden waren fout. Wellicht was een senior wetenschapper uit een van de topinstituten zorgvuldiger omgegaan met de interpretatie.”

Ook blies men bij de bekendmaking hoog van de toren. Er was een grote persconferentie en tegelijkertijd werd een van de grondleggers van de (vermeend bevestigde) inflatietheorie thuis overvallen met champagne en een cameraploeg. “En dat terwijl er nog geen officiële publicatie was! Misschien is dat bij sommige wetenschappers in het verkeerde keelgat geschoten. Het heeft in ieder geval geleid tot klein drama voor alle betrokkenen”, zegt Meerburg.

Andrei Linde krijgt in maart 2014 thuis het goede nieuws dat zijn theorie lijkt bevestigd.

Hij voegt daar aan toe: “Aan de andere kant, dit laat zien dat wetenschap werkt. Het heeft slechts twee maanden geduurd voordat de eerste serieuze kritiek in wetenschappelijke tijdschriften werd gepubliceerd. En binnen een jaar zijn de claims ontkracht met nieuwe data.”

De handen ineen geslagen

Uiteindelijk smeedden de groepen van BICEP2 en Planck een alliantie. Bovendien had men ook nog de beschikking over data van het Keck Array, dat wordt beheerd door dezelfde mensen als BICEP2.

Afgelopen september werd er door de Planck-groep al bekend gemaakt dat het grootste deel van de gemeten B-modes afkomstig waren van het galactische stof. En begin deze maand kwam de definitieve resultaten naar buiten, waarbij data van BICEP2, Keck en Planck waren gecombineerd: het gemeten signaal is hoogstwaarschijnlijk afkomstig van stof in onze eigen Melkweg.

Het ineenslaan van de handen is op zich niet ongebruikelijk in de wetenschappelijke wereld. Misschien heerste er wel een besef dat er snel orde op zake moest worden gesteld.

“Voor de Planck-satelliet was dit onderzoek een bonus”, aldus Meerburg. “De ruimtetelescoop was in principe niet bedoeld voor het aantonen van sporen van gravitatiegolven, maar door samen te werken konden ze daarin een belangrijke rol vervullen. Voor BICEP2 viel alleen maar wat te verliezen. Zij waren genoodzaakt om hulp in te schakelen.”

Detectoren op Antarctica. De schotelantenne links is onderdeel van het BICEP2-experiment. Het Keck Array bevindt zich helemaal rechts in het gebouw.

 BICEP2/Dispatches from the Bottom of the World

Bewijs van inflatie of niet

Meerburg denkt dat wetenschappers uiteindelijk wel sporen van zwaartekrachtgolven van de oerknal zullen detecteren. Er lopen verschillende experimenten die er naar speuren, zoals Spider, een ballon met daaronder een detector die net terug is van een vlucht boven Antarctica.

Of de B-modes die ze proberen waar te nemen het bewijs voor de extreem snelle uitdijing van de inflatietheorie zullen zijn? Meerburg is sceptisch. “Er is een grote groep astronomen die vindt van wel, maar in principe kun je na het detecteren van sporen van zwaartekrachtgolven nog alle kanten op. Het spectrum van zwaartekrachtgolven moet namelijk wel een bepaalde vorm hebben, om van inflatie afkomstig te zijn.”

Of B-modes de inflatietheorie kunnen bevestigen is volgens Daan Meerburg de vraag.

 NASA/ESA/G. Illingworth, D. Magee en P. Oesch van University of California, Santa Cruz/R. Bouwens van Universiteit Leiden/HUDF09-Team

Meerburg heeft zelf net een artikel geschreven over het spectrum van zwaartekrachtgolven, en welke rol de zwaartekrachtgolven van de oerknal daarin spelen. Net zoals in het elektromagnetische spectrum zouden er zwaartekrachtgolven met verschillende golflengtes moeten bestaan.

De verwachting is dat de rumoerige inflatieperiode zwaartekrachtgolven van verschillende golflengtes produceerde, waarbij de golven met de kleinste golflengte het zwakst zijn.

“Om dat hele spectrum te toetsen moet je ook gebruik maken van andere metingen op kleinere golflengtes”, zegt Meerburg. “De metingen van BICEP2 zijn daar niet geschikt voor. Je moet dan ook naar zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO kijken. Die speuren naar kleinere golven. Pas als je al die metingen meeneemt weet zeker dat je naar sporen van inflatie kijkt.”

ReactiesReageer