Ons Universum is onvoorstelbaar groot. Maar dat is het niet altijd geweest! Wist je dat 13,8 miljard jaar geleden het heelal kleiner was dan een proton? Wist je bovendien dat alle gewone materie, materie die we kennen, die we zien en waaruit we bestaan, slechts 5% vormt van alle materie in het Universum?

Hoe weten we al die dingen? Vraag het aan een kosmoloog!

Kosmologie is een erg interessant en spannend onderzoeksgebied dat de evolutie van het heelal bestudeert. Vooral de laatste decennia is onze kennis over het Universum geëxplodeerd en dit allemaal door een mysterieuze ruis gedetecteerd door de radiogolf detector van Arno Penzias en Robert Wilson in 1964. Vreemd genoeg kwam deze ruis uit elke richting en met een gelijke grootte. De ruis kon dus niet afkomstig zijn van een specieke ster of galaxie. Wat zij ontdekten, is de overgebleven straling die overal in het Universum werd vrijgelaten  wanneer het slechts 380 000 jaar oud was. Het heelal werd toen voor de eerste keer transparant voor licht. Voorheen had het Universum een te grote materiedichtheid en was het te warm voor het licht om vrij te reizen, maar naarmate het Universum uitzette, koelde het af en kon het licht ontsnappen, zodat het nu onze telescopen kan bereiken. Die overgebleven straling die Penzias en Wilson voor het eerst ontdekten en die ons voorziet van een unieke foto van het vroege heelal, noemen we de kosmische achtergrond straling, kortweg CMB naar het Engelse cosmic microwave background radiation. De CMB wordt tegenwoordig gemeten met een onvoorstelbare precisie, vooral dankzij de Planck ruimtetelescoop.

Het feit dat de CMB er overal hetzelfde uitziet is verbazend, zelfs voor fysici! We hebben al uitgelegd dat het Universum aan het uitzetten is, maar opdat de CMB er overal hetzelfde zou uitzien, moet er een fase geweest zijn waarin het vroege Universum vlak na de Big Bang exponentieel snel is beginnen uitzetten. In minder dan 10⁻³⁰ seconden is het geëxpandeerd met minstens factor 1026! Die fase noemen we inflatie. Tegenwoordig hebben theoretici heel wat mogelijke scenario’s voor inflatie uitgewerkt. Sommige modellen zijn reeds uitgesloten door de observaties van de CMB. Andere zijn consistent met de data. Om een uniek model te vinden dat consistent is met alle data hebben we preciezere observaties nodig. Bij het begin van inflatie was het Universum niet groter dan een proton en regeerde de kwantummechanica. Spontane kwantummechanische fluctuaties in de dichtheid zorgden voor enkele onregelmatigheden in de CMB. Inderdaad, in de CMB werden zeer kleine imperfecties gemeten van de orde 0.00001!

Waarom is dat belangrijk? Eigenlijk zijn het deze imperfecties die de zaadjes vormden voor het ontstaan van de grote structuren (zoals sterrenstelsels en clusters) die we vandaag aan de hemel zien. Een gedetailleerde studie van die imperfecties laat ons toe onze kennis van de evolutie van het Universum uit te breiden en iets te leren over de bouwstenen waaruit het heelal bestaat. Op die manier hebben kosmologen afgeleid dat gewone materie slechts 5% vormt van de totale inhoud van het heelal! Waaruit bestaat die andere 95% dan? Uitstekende vraag! Donkere materie, een onbekende vorm van materie die zeer zwak interageert met licht en gewone materie, zou 27% van het totale budget kunnen vertegenwoordigen. De overige 63% wordt donkere energie genoemd en zou verantwoordelijk zijn voor de versnellende expansie van het heelal. De aard van die donkere materie en donkere energie bepalen is een enorme uitdaging voor de kosmologie en deeltjesfysica vandaag!

Ok, wat is deeltjesfysica nu alweer? We waren toch kosmologie aan het bespreken? Juist, deeltjesfysica is een ander onderzoeksveld, maar is heel complementair aan kosmologie in het begrijpen van de fundamentele aard van materie. In de deeltjesfysica hebben we al een precieze beschrijving van gewone materie en van de krachten die ze onderling overdragen. Het overkoepelend model dat die deeltjes en hun interacties beschrijft is het “Standaardmodel”. Vrij recent heeft dit onderzoeksveld een enorme sprong voorwaarts gemaakt toen men in in 2012 het Brout-Englert-Higgs deeltje ontdekte aan het CERN. Dit deeltje was tot dan toe een stuk dat ontbrak in de puzzel van het standaarmodel. Naar aanleiding van die ontdekking mochten prof. Peter Higgs uit Edinburgh en prof. François Englert van de Universiteit Brussel dan ook in 2013 de Nobelprijs in ontvangst nemen.

De keerzijde van de medaille is dat het Standaard Model de eigenschappen van donkere materie en de mysterieuze aard van donkere energie niet kan beschrijven. Ok, wat kunnen we daar aan doen? Tegenwoordig organiseren fysici zich in grote samenwerkingsverbanden. Samen ontwikkelen we gedetailleerde theoretische modellen die het Standaard Model uitbreiden en construeren we enorme experimenten, waaraan fysici van soms wel meer dan 100 verschillende nationaliteiten samenwerken om de vingerafdruk van donkere materie en donkere energie te vinden.

Ziezo, zoals je nu weet, er is nog gigantisch veel te doen en te ontdekken, dus…wanneer begin je aan je master in fysica aan de universiteit en doe je mee met onze wereldwijde inspanning om onze fundamentele kennis van de natuur te vervolledigen?

Over de auteurs