Dat er naast een kosmische microgolf-achtergrondstraling van fotonen (Engels: CMB) ook een kosmische neutrino achtergrond (CNB) bestaat wordt al lang geopperd, maar tot nu toe ontbrak daarvoor het bewijs. De CMB is al in 1964 voor het eerst waargenomen en waarnemingen van de temperatuursverschillen in de CMB zijn gedaan door ruimteverkenners als COBE, WMAP en Planck (zie de afbeelding hieronder).
Temperatuurvariaties in de CMB. Credit: ESA en Planck.
Waarnemingen aan de CNB zijn een stuk lastiger, omdat neutrino’s veel minder reageren met andere materie of straling dan fotonen. Met neutrino-detectoren zoals IceCube op de Zuidpool kunnen neutrino’s van bijvoorbeeld de zon, supernovae en actieve centra van sterrenstelsels worden waargenomen, maar die hebben miljarden keren meer energie dan de ‘fossiele neutrino’s’ van de CNB, die volgens berekeningen een energie van slechts 168 micro-elektron-volt (μeV) hebben. Directe waarneming van deze neutrino’s lijkt daarmee zeer onwaarschijnlijk, ook al zijn er toch experimenten die dit proberen te realiseren. Frappant verschil tussen de CMB en CNB: de fotonen van de CMB dateren van het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing’, dat 380.000 jaar ná de oerknal plaatsvond – de oerknal zelf vond 13,8 miljard jaar geleden plaats. Vóór dat moment was de dichtheid zo groot dat de fotonen niet vrijuit konden bewegen, maar heen en weer knikkerden tussen de atoomkernen en elektronen. De neutrino’s van de CNB reageren niet via de elektromagnetische wisselwerking op andere materie – alleen via de zwakke wisselwerking – en daarom konden die veel eerder al vrijkomen: de neutrino’s van de CNB kwamen al één luttele seconde na de oerknal vrij, veel eerder dus dan de fotonen van de CMB!
Neutrino’s van de CNB hebben invloed op de grootschalige structuren in het heelal. In de afbeelding simulaties daarvan op verschillende momenten in de evolutie van het heelal. Credit: VOLKER SPRINGEL
Maar ja, als directe detectie van deze kosmische neutrino’s onmogelijk lijkt, hoe kan je ze dan toch zien of bewijzen dat ze bestaan? Dat kan op twee manieren, beiden een indirecte manier van waarnemen. Ten eerste heeft de CNB invloed op de CMB en ten tweede heeft het invloed op de grootschalige structuren van clusters en superclusters van sterrenstelsels in het heelal (zie de afbeelding hierboven). Kenmerk van zowel de CMB als de grootschalige structuren is dat er een variëteit is van pieken en dalen, van plekken waar de temperatuur hoger en lager is dan gemiddeld, respectievelijk van plekken waar de dichtheid hoger en lager is dan gemiddeld.
De neutrino’s van de CNB kunnen er met hun energie voor zorgen dat die pieken en dalen worden uitgesmeerd, dat er een soort van verschuiving (phase shift) zou optreden. Bedenk dat de neutrino’s 13,8 miljard jaar geleden een veel hogere fractie van de energieinhoud van het heelal vormden (zie afbeelding hieronder) en dat ze zich toen als een vorm van straling gedroegen.
Credit: NASA, MODIFIED BY WIKIMEDIA COMMONS USER ??, MODIFIED FURTHER BY E. SIEGEL
Twee dingen zouden de mate van invloed daarbij bepalen: hoeveel soorten neutrino’s er zijn en hoeveel energie de neutrino’s hebben. In 2015 waren er al waarnemingen aan de CMB die wezen op beïnvloeding door een CNB. Daarbij kwam naar voren dat er drie soorten neutrino’s bestaan, precies het aantal dat is waargenomen (er zijn drie ‘smaken’ neutrino’s, de elektron-, muon- en tau-neutrino’s) – hoewel er wel aanwijzingen zijn voor het bestaan van een vierde smaak neutrino, het steriele neutrino. Op basis van waarnemingen gedaan met Planck aan de polarisatie van de CMB was men een jaar later in staat om de huidige energie van de fossiele neutrino’s te bepalen: 169 μeV ±2 μeV, corresponderend met een temperatuur van 1,95 K (de fotonen van de CMB hebben een temperatuur van 2,7 K).
Wat toen echter ontbrak waren de waarnemingen aan de grootschalige structuren in het heelal, die op een beïnvloeding door de CNB wijzen. Nou jullie voelen ‘m al aankomen: recentelijk is die waarneming gedaan en daarmee is er een bevestiging gekomen van het bestaan van een CNB. In het kader van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) zijn heel veel clusters en superclusters van sterrenstelsels waargenomen. De eerder genoemde pieken en dalen laten zich zien als zogeheten baryon acoustic oscillations (BAO’s) – zie de afbeelding hieronder.
Impressie van BAO’s in het heelal. Credit: ZOSIA ROSTOMIAN.
De verschuiving in de pieken en dalen door de CNB worden uitgedrukt in twee parameters, genaamd α en β en in theorie zouden beiden precies 1 moeten zijn. Uit de SDSS-waarnemingen (hieronder te zien) blijkt dat α inderdaad 1 is. De waarde voor β is nog niet goed bekend, maar duidelijk is wel dat die niet 0 is, de waarde die je zou hebben als er géén CNB bestaat.
Het resultaat van analyse van de SDSS-gegevens aan de BAO’s. Credit: D. BAUMANN ET AL. (2019), NATURE PHYSICS.
Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de BAO’s door SDSS en de bevestiging daarmee dat er een CNB bestaat, het oudst bekende signaal in het heelal. Met toekomstige waarnemingen met grotere instrumenten – met name DESI, Euclid, WFIRST en de LSST – wil men de waarnemingen aan de CNB verbeteren. Bron: Starts with a Bang.
