22 oktober 2018

Kosmische neutrino achtergrond van twee seconden ná de oerknal waargenomen

In de sterrenkunde geldt de simpele wet dat hoe verder je weg kijkt hoe ouder iets is. De onlangs ontdekte recordhouder van ‘sterrenstelsels het verst van de aarde’ staat op naam van EGS8p7, een stelsel dat zich bevindt op 13,23 miljard lichtjaar van de aarde en dat ontstond toen het heelal nog maar 550 miljoen jaar oud was. Maar er is iets dat we kunnen waarnemen dat nog veel ouder is dan dit stelsel: de in 1964 ontdekte kosmische microgolf-achtergrondstraling, het restant van de straling van de oerknal (de Engelse afkorting hiervan is CMB, zie afbeelding hierboven), dat zich 380.000 jaar na de oerknal loskoppelde van de materie, toen de stralingstemperatuur door het expanderende heelal afgekoeld was tot 3000 K – pakweg de temperatuur van een koele ster. Anno nu is de temperatuur van de CMB 2,7 K, ietsje boven het absoluut nulpunt. Dat moment van loskoppeling wordt in de sterrenkunde het ‘oppervlak van laatste verstrooing’ genoemd, in het Engels ‘the surface of last scattering‘. Vóór die tijd werden de fotonen voortdurend heen en weer geslingerd tussen de atoomkernen en elektronen, precies zoals de fotonen nu in de zon doen, waar ze soms wel 150.000 jaar nodig hebben om de rand te bereiken.

Afijn, de grote vraag is: is de CMB van het oppervlak van laatste verstrooiing het dichtste dat we bij de oerknal kunnen komen, het moment 13,8 miljard jaar geleden toen het heelal ontstond? Tot voor kort was het antwoord ja, is er niets dat dichterbij komt. Maar zoals je al aan de titel van deze Astroblog kunt vermoeden is daar inmiddels verandering in gekomen! Een team van sterrenkundigen onder leiding van Brent Follin (Universiteit van Californië) is er namelijk in geslaagd om in de gegevens van de Europese Planck satelliet, waarmee jarenlang de CMB is bestudeerd, een signaal te vinden dat direct gekoppeld is aan de zogeheten kosmische neutrino achtergrond (Engels: cosmic neutrino background, CNB of CνB). Zoals gezegd werden fotonen vóór 380.000 jaar voortdurend verstrooid, heen en weer geslingerd tussen de atomen. Neutrino’s hadden daar geen last van, die reageren alleen via de zwakke wisselwerking met andere deeltjes en dat zorgt er voor dat ze ongehinderd kunnen reizen. Berekeningen laten zien dat al twee seconden na de oerknal er een CνB ontstond, een zee van kosmische neutrino’s, die momenteel moet zijn afgekoeld tot zo’n 1,95 K, iets onder de temperatuur van de CMB.

Neutrino’s ontstaan op vele manieren, in sterren zoals de zon, in supernovae, in onze atmosfeer, door de aarde en tijdens de oerknal. Hierboven een overzicht van de diverse bronnen van neutrino’s, een grafiek waarin hun energie wordt gerelateerd aan de dichtheid – helemaal linksboven de neutrino’s van de CNB. Je ziet dat de dichtheid van de CNB de hoogste is van alle neutrino’s, maar vanwege hun lage energie en temperatuur zijn ze op dit moment niet detecteerbaar voor  neutrino-detectoren zoals IceCube. Ondanks dat is er toch een merkbaar effect van de neutrino’s van de CNB: ze hebben er door hun energiedichtheid namelijk voor gezorgd dat er in de temperatuurvariaties die waargenomen zijn in de CMB – de blauwe (koudere) en rode (warmere) gebieden op de afbeelding helemaal bovenaan – een heel kleine verschuiving plaatsvond, een verschuiving in de pieken en dalen van het powerspectrum van de CMB, welke je hieronder ziet.

Het is deze faseverschuiving die is waargenomen door Follin’s team en waarover hij en z’n team in dit vakartikel hebben gerapporteerd. Hieronder de grafiek waar het om allemaal draait, een grafiek waarin de faseverschuiving aan de hand van drie modellen worden gepresenteerd: eentje waarin maar één soort neutrino’s bestaat, eentje met drie soorten neutrino’s en tenslotte eentje met vijf soorten neutrino’s (Nν1, 2 en 3). En waar komen de waarnemingen het beste meer overeen: met het model dat uitgaat van drie soorten neutrino’s. Hoeveel soorten neutrino’s hebben we (tot nu toe) waargenomen? Yep, drie – de elektron-neutrino’s, muon-neutrino’s en tau-neutrino’s.

Het is deze detectie van de faseverschuiving dat een eerste signaal is van het daadwerkelijke bestaan van de CNB, de achtergrond van neutrino’s die slechts twee seconden na de oerknal al ontstond. En daarmee is dit een signaal dat direct de nieuwe recordhouder afstand is. Niet EGS8p7 van 550 miljoen jaar na de oerknal, niet de CMB van het oppervlak van de laatste verstrooiing 380.000 jaar na de oerknal, maar de CNB van twee seconden na de oerknal is de recordhouder! Het leek er overigens vorig jaar op dat de sterrenkundigen toen iets ontdekt hadden dat een vergelijkbare ouderdom had: maart 2014 claimden sterrenkundigen verbonden aan de BICEP2 detector op de Zuidpool dat dit signaal óók uit de eerste seconden van de oerknal kwam:

bicep2-b_over_b_rect_BICEP2

Ze dachten dat de polarisatie in de CMB, die op deze opname gemaakt met BICEP2 zichtbaar is, afkomstig was van primordiale zwaartekrachtsgolven, die tijdens de inflatieperiode van de oerknal kwamen – feitelijk zelfs vóór het moment dat de CNB ontstond. Maar het sprookje eindigde, toen duidelijk werd dat deze polarisatie niets te maken had met zwaartekrachtsgolven, maar met lokaal stof uit onze eigen Melkweg. Bron: Starts with a Bang + Koberlein + Wiki.

Reacties

  1. Zware kost, maar machtig interressant.

    Ik begrijp een term uit de eerste grafiek niet.

    Op de y as; waar staat sr^-1 voor?

    Mies.

  2. Welke processen zouden dan verantwoordelijk zijn geweest voor deze eerste zee van neutrino’s?

    • De kosmische neutrino achtergrond ontstond in de periode die de Lepton Epoch wordt genoemd, de periode dat leptonen de massa in het heelal domineerden. Neutrino’s zijn net als elektronen ook leptonen, deeltjes die niet reageren o[p de sterke wisselwerking.

  3. Geweldig Arie. Ik begrijp de formule nu beter. Je hebt mij vandaag wijzer gemaakt.
    Thnx!

    Mies.

  4. Quote : “En waar komen de waarnemingen het beste meer overeen: met het model dat uitgaat van drie soorten neutrino’s. ”

    …en dit is dan dus de doodsteek voor Steriele Neutrino’s. 😕

    Groet, Paul

    { En weer een kandidaat DM afgevinkt. }
    [X] ongeschikt
    [ . ] geschikt

  5. Nu zit ik toch weer te puzzelen. Uit het Wiki artikel : ” The mass of the universe was then dominated by photons”.

    “Photons have mass? I didn’t even know they were Christian”
    Woody Allen

    Mies

    • Daar had eigenlijk moeten staan energie. Maar ja, toen al gold E=mc^2, dus in die zin is ‘t prima. Aan het einde van het lepton tijdperk annihileerden alle leptonen en antileptonen en vormden zij een zee van fotonen, waarmee het tijdperk van de fotonen begon, the photon epoch. Op die pagina staat het wel goed. Het tijdperk begon 10 seconden na de oerknal en duurde tot 379.00 jaar na de oerknal, tot het oppervlak van de laatste verstrooiing.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.