Nee, er zit geen boodschap in de kosmische microgolf-achtergrondstraling

De CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

In 2005 kwamen twee natuurkundigen – Stephen Hsu (University of Oregon) en Anthony Zee (University of California) – met een opmerkelijke suggestie: áls er een schepper van het universum is zou die een boodschap in de vorm van een binaire code kunnen hebben gestopt in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: cosmic microwave background, CMB), de in 1964 ontdekte straling die dateert van 380.000 jaar na de oerknal. Als een soort van kosmisch reclamebord (‘billboard’), dat vanaf ieder punt in het heelal zichtbaar is, zou de CMB het ideale middel zijn om intelligent leven waar dan ook dezelfde boodschap mee te geven – zie m’n blog uit 2006 daarover. Hier het artikel van Hsu en Zee, dat ze heel toepasselijk de titel Message in the Sky gaven.

Enter de sterrenkundige Michael Hippke (Sonneberg Observatory in Duitsland en Breakthrough Listen in de VS). Hij heeft de handschoen van Hsu en Zee opgepakt en is gedoken in de gegevens van de CMB, zoals minutieus waargenomen door de satellieten WMAP en daarna Planck. Met die satellieten zijn de temperatuursvariaties in de CMB gemeten, gebieden die iets warmer of kouder zijn dan de gemiddelde temperatuur van de CMB, 2,72548±0,00057 K. Hipke slaagde erin om die minieme temperatuursvariaties om te zetten in een reeks binaire getallen, 1000 nullen en enen. De eerste 500 bits van die reeks zien er zo uit:

Credit: M.Hippke.

De zwarte bits zijn die waarvan de gegevens van WMAP en Planck overeenkwamen, met een betrouwbaarheid van 90%, bij de roodgekleurde bits was er verschil tussen WMAP en Planck en daarbij koos Hippke voor de gegevens van Planck (die moderner was dan WMAP), met een betrouwbaarheid van 60%. Vervolgens ging Hippke de reeks van bits proberen te vertalen in een zinnige boodschap, onder andere met behulp van de ‘On-Line Encyclopedia of Integer Sequences’. Maar wat hij ook probeerde, er kwam niets zinnig uit, ook niet als de 0-en en 1-en werden omgedraaid. Zo vatte Hippke z’n onderzoek samen:

We may conclude that there is no obvious message on the CMB sky. Yet it remains unclear whether there is (was) a Creator, whether we live in a simulation, or whether the message is printed correctly in the previous section, but we fail to understand it.

Hier het artikel van Hippke, dat op de ArXiv te vinden is. Bron: Science Alert.

Jawel daar zijn ze, de definitieve Planck-resultaten

Credit: ESA/Planck Collaboration

Met de Europese Planck satelliet werd tussen 2009 en 2013 in negen verschillende banden van frekwentie tussen 30 en 857 GHz de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) nauwkeurig gemeten, het restant van de hete straling, die zich 380.000 jaar na de oerknal (al weer zo’n 13,8 miljard jaar geleden) loskoppelde van de atoomkernen en die toen vrij ging bewegen door het heelal. Ik heb vaker resultaten laten zien van die meting, maar onlangs werden in het vaktijdschrift Astronomy & Astrophysics de definitieve wetenschappelijke artikelen gepubliceerd met alle behaalde resultaten van het onderzoek van Planck aan de CMB. Hieronder een overzicht van al die artikelen, vrij te downloaden in verschillende formats. Even in een notendop twee van de belangrijkste kosmologische parameters op een rijtje, gemeten door Planck: De Hubble constante in het huidige heelal H0=67,4 ±0,5 km/s/Mpc en σ8=0,811 ± 0,006, beiden brandpunt van een flinke discussie. Het heet ‘resultaten 2018′. Dat we ze nu pas zien anno 2020 komt omdat het veel tijd koste de artikelen door de peer review te krijgen. Maar ’t is allemaal gelukt en daarom nu deze speciale publicatie van A&A. Veel leesplezier met de artikelen!

Bron: A&A.

Voor de liefhebbers: alle ACTpol artikelen op een rijtje

    Credit: ACT Collaboration

Afgelopen week had ik het nieuws over de resultaten die waren behaald met metingen aan de kosmologische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) met de Atacama Cosmology Telescope Polarization Survey (ACTpol). Ik noemde in die blog twee vakartikelen met de resultaten, maar dat blijken er in totaal zes te zijn, de volgende om precies te zijn.

  • The Atacama Cosmology Telescope: DR4 Maps and Cosmological Parameters, arXiv:2007.07288 [astro-ph.CO] (14 Jul 2020); Steve K. Choi et al.
  • The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the Cosmic Microwave Background Power Spectra at 98 and 150 GHz, arXiv:2007.07289 [astro-ph.CO] (14 Jul 2020); Sigurd Naess et al.
  • The Atacama Cosmology Telescope: arcminute-resolution maps of 18,000 square degrees of the microwave sky from ACT 2008-2018 data combined with Planck, arXiv:2007.07290 [astro-ph.IM] (14 Jul 2020); Omar Darwish et al.
  • The Atacama Cosmology Telescope: A CMB lensing mass map over 2100 square degrees of sky and its cross-correlation with BOSS-CMASS galaxies, arXiv:2004.01139 [astro-ph.CO] (02 Apr 2020); Toshiya Namikawa et al.
  • The Atacama Cosmology Telescope: Constraints on Cosmic Birefringence,» Physical Review D 101: 083527 (17 Apr 2020), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.083527, arXiv:2001.10465 [astro-ph.CO] (28 Jan 2020); Mathew S. Madhavacheril et al.
  • The Atacama Cosmology Telescope: Component-separated maps of CMB temperature and the thermal Sunyaev-Zel’dovich effect, arXiv:1911.05717 [astro-ph.CO] (13 Nov 2019).

Zo, genoeg vakantielectuur denk ik zo. Oh ja nog één ding: naar aanleiding van de publicatie van de ACTpol resultaten had de sterrenkundige Peter Coles van In the Dark een poll gedaan onder zijn lezers om te vragen wie er volgens hun gelijk heeft: de mensen die denken dat de Hubble constante een lage waarde heeft óf de mensen die juist denken dat ‘ie een hoge waarde heeft. Doe mee met de poll en kijk naar de tussenstand ervan. Bron: Francis Naukas.

Hoeveel fotonen van de oerknal zitten er in een kubieke centimeter?

De temperatuursverschillen in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, waargenomen door COBE, MAP en Planck. Credit: COBE/WMAP/Planck Collaborations.

In 1964 ontdekten Arno Penzias en Robert Woodrow Wilson met een radioantenne in Holmdel (VS) onbedoeld de kosmische microgolf-achtergrondstraling, het restant van de hete oerknal. Die straling bestaat uit fotonen en sinds het moment van het zogeheten oppervlak van de laatste verstrooiing – dat 380.000 jaar na de oerknal plaatsvond, de oerknal zelf vond 13,8 miljard jaar geleden plaats – vliegen ze ongehinderd door het universum. Door de uitdijing van het heelal zijn de fotonen flink afgekoeld. Ten tijde van dat oppervlak van de laatste verstrooiing was hun temperatuur 3000 K, nu is ’t 1100 keer afgekoeld tot 2,72548±0.00057 K, ietsje boven het absolute nulpunt dus. Interessante vraag voor diverse trivia in de kroeg en thuis: wat is de dichtheid van de straling momenteel, hoeveel fotonen van die oerknal zijn er nog gemiddeld? Dat antwoord blijkt na enig zoeken exact bekend te zijn: 411 fotonen per cm³, oftewel een energiedichtheid van 0,25 eV/cm³, da’s 4,005×10^-14 J/m³.

Credit: Universe Today.

Toen er nog zoiets als analoge televisie bestond, hetgeen in dit digitale tijdperk helemaal passé is, zag je op momenten dat er geen uitzendingen waren ruis op de televisie. In die ruis waren ook fotonen van de oerknal te zien, pakweg 1% van die ruis werd gevormd door de fotonen van de CMB, zoals de Engelse afkorting van de kosmische straling heet. Toen kon je dus nog op TV kijken naar iets van vlak naar de oerknal. Nu kan dat niet meer. Mmmmm, vooruitgang heeft ook zo z’n nadelen. Bron: Wikipedia + Starts with a Bang + Universe Today.

De ‘grote leegte’ lijkt toch niet de verklaring voor koude plek in kosmische achtergrondstraling

Credit: ESA and Durham University

De koude plek in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (op z’n engels: de CMB cold spot) lijkt toch niet veroorzaakt te worden door een gigantische leegte in het heelal, waar relatief minder sterrenstelsels voorkomen dan elders. Je ziet die koude plek hierboven op de befaamde CMB-kaart, een klein gebied aan de hemel dat pakweg 0,00015 graad kouder is dan het gemiddelde van de kosmische achtergrondstraling, die 2,73 K bedraagt, dus iets boven het absolute nulpunt. De achtergrondstraling is het overblijfsel van de straling van de hete oerknal, die in het vroege heelal zeer heet was, maar die door de expansie van het heelal afgekoeld is tot de huidige waarde. In de kosmische achtergrondstraling zijn door de achtereenvolgende satellieten COBE, WMAP en Planck zeer minieme temperatuursverschillen gemeten, die iets warmer (oranje/rood op de kaart) of kouder (blauw) zijn dan gemiddeld.

Credit: Durham University

Van de koude plek werd lange tijd gedacht ‘ie ontstaan is doordat er veel minder sterrenstelsels voorkomen. Maar een internationaal onderzoeksteam onder Britse leiding heeft gebruikmakend van de Anglo-Australian Telescope de sterrenstelsels geteld in de koude plek (op de afbeelding hierboven rechts te zien – de strook is een 3D-kolom van sterrenstelsels) en een ‘gewone’ plek (de linker strook). Die blijken niet zo gek veel van elkaar te verschillen. Er is dus helemaal geen kosmische grote leegte. Maar dan blijft de vraag wat het dan wel is. Het zou om een statistisch gat kunnen gaan, dat gewoon door toeval is ontstaan, de kans daarop lijkt 1 op 50 te zijn. Er zijn ook exotischer verklaringen, zoals een botsing van meerdere heelallen, die op de koude plek een soort van kreukelzone hebben achtergelaten. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de koude plek, te verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Royal Astronomical Society.

Hoe de ene kosmische achtergrond de andere kosmische achtergrond kan helpen

De CIB, waargenomen bij een frequentie van 857 GHz door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Vanuit alle richtingen in de ruimte komt diffuus licht onze kant op, licht dat als een soort van achtergrond aan de hemel te vinden is. De bekendste is de in 1964 ontdekte kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: ‘cosmic microwave background’, CMB), maar een andere is de kosmische infrarood achtergrondstraling (‘cosmic infrared background’, CIB), die in de jaren negentig werd gedetecteerd. Sterrenkundigen hebben nu ontdekt dat de ene kosmische achtergrond de andere kan helpen – specifieker: ze hebben ontdekt hoe je ongewenste informatie in de CMB eruit kunt filteren door gebruik te maken van informatie in de CIB. Zo is men geïnteresseerd in de polarisatie van het licht van de CMB, licht dat al dateert van slechts 390.000 jaar na de oerknal, maar dat onderweg naar de aarde door tal van processen wordt ‘vervuild’. Zo is daar de polarisatie die ontstaat door lokaal stof van onze eigen Melkweg. In 2014 dacht het team van de BICEP2 detector op de Zuidpool zogeheten B mode polarisatie te zien van zwaartekrachtsgolven, afkomstig uit de inflatieperiode van de oerknal. Maar dat was achteraf gezien slechts polarisatie door lokaal stof, zo liet de Planck satelliet ons zien.

De CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Een andere vervuiling is die van zwaartekrachtslenzen, licht dat verbogen wordt doordat tussen de aarde en de bron liggende clusters van sterrenstelsels de ruimte doen krommen. Patricia Larsen (University of Cambridge) en haar collega’s hebben nu ontdekt hoe de CIB kan helpen die laatste categorie van ongewenste ruis kan verhelpen, hoe het lenseffect teniet kan worden gedaan. Als die ruis verwijderd is hoopt men een signaal over te houden dat alleen afkomstig is van die primordiale zwaartekrachtsgolven, die dateren uit de allereerste seconde van het heelal. Bron: Physics World.

First light voor BICEP3

De BICEP3 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization #3) telescoop heeft z’n eerste licht uit het heelal ontvangen – ‘First Light’ zoals dat in de astrowereld heet. Ehhh… BICEP3, dat klinkt bekend, hadden we dat niet eerder gehoord? Yep, vorig jaar was er veel ‘gedoe’ met de voorganger van BICEP3, niet zo verrassend BICEP2 genaamd. Op 17 maart 2014 kwam het wetenschappelijk team van de BICEP2 detector op het Scott Amundsen station op de Zuidpool met de opzienbarende melding dat zij in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB, ‘cosmic microwave background’) een signaal van polarisatie hadden gezien, dat volgens de onderzoekers ontstaan zou zijn door zwaartekrachtsgolven, afkomstig uit de inflatieperiode van de oerknal, het moment 13,8 miljard jaar geleden dat het heelal ontstond. Maanden na de bekendmaking bleek echter door metingen met de Planck sonde dat dit signaal een andere oorzaak had, namelijk stof uit onze eigen Melkweg. BICEP2 werd ontmaskerd, de deceptie bij de onderzoekers was groot. Maar ze bleven niet bij de pakken neerzitten en eind vorig jaar en begin dit jaar werd opvolger BICEP3 gebouwd, een telescoop met een grotere opening (68 bij 26 cm), meer lichtopbrengst (f/1.6 van BICEP3 t.o. f/2.4 van BICEP2), een grote hoekresolutie (0,35 x 0,7

Planck: eerste sterren heelal ontstonden 100 miljoen jaar later dan gedacht

Credit: ESA and the Planck Collaboration

Vandaag zijn de definitieve artikelen en gegevens van het onderzoek gepubliceerd dat de Europese Planck sonde tussen 2009 en 2013 gedaan heeft aan de polarisatie van de kosmische microgolf-achtergrondstraling, het restant van de hete straling uit de tijd van de oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond. Aan de resultaten ervan is op de Astroblogs al veel aandacht geschonken, maar dat was met name vanwege de BICEP2-discussie. Het licht van die straling werd voor het eerst uitgezonden toen het heelal 380.000 jaar oud was, ten tijde van de zogeheten ‘last surface of scattering‘, toen materie en straling door de steeds lagere temperatuur van het heelal loskoppelden. Na dat moment brak in het jonge universum het tijdperk van de donkere eeuwen aan, waarin alles letterlijk donker werd, simpelweg omdat sterren en sterrenstelsels ontbraken. Sterrenkundigen dachten jarenlang dat zo’n 450 miljoen jaar na de oerknal een einde kwam aan de donkere eeuwen, doordat de eerste sterren met hun ultraviolette straling de omringende gaswolken reïoniseerden en de kosmische mist optrok. Uit de Planck-metingen blijkt dat die eerste sterren pas 550 miljoen jaar na de oerknal hun werk deden, dus 100 miljoen jaar later. De reïonisatie duurde zelf ook lang, want pas 900 miljoen jaar na de oerknal was alle gas gereïoniseerd.

De geschiedenis van het heelal, van het moment van de oerknal tot nu. Dubbelklikken om de afbeelding te verplanckeriseren. Credit: ESA

De resultaten van de polarisatiemetingen zijn aanvullend op hetgeen het onderzoeksteam van Planck eerder heeft gepubliceerd over de temperatuursfluctuaties in de kosmische straling. Met die 550 miljoen jaar van het verschijnen van de eerste sterren hebben de sterrenkundigen wel een groot probleem: met Hubble zijn sterrenstelsels gefotografeerd, die er al 300 á 400 miljoen jaar na de oerknal waren. Daar moet dus nog eens goed naar gekeken worden. Hieronder een foto van de waarneming aan de polarisatie in de kosmische straling – dubbelklikken voor een grotere, geanimeerde versie ervan.

Credit: ESA and the Planck Collaboration

Bron: ESA.

Publicatie definitieve Planck gegevens uitgesteld tot eind januari 2015

Alles wat er afgelopen maand over de waarnemingen van de Europese Planck sonde aan de kosmische achtergrondstraling is verschenen draagt het grote stempel ‘preliminary‘, voorlopig. Alle grafieken in de talloze presentaties die op de grote Planck conferentie in Ferrara eerder deze maand of ‘het vroege heelal na Planck-conferentie’ in Parijs deze week zijn voorlopig. In eerste instantie leek 22 december 2014 de grote dag te zijn, dat de definitieve gegevens van Planck aan de CMB – da’s de Engelse afkorting van de kosmische achtergrondstraling, the Cosmic Microwave Background – zouden worden gepubliceerd, zie noot 2 in deze blog, maar voor de zoveelste keer is het uitgesteld. Laatste bericht is dat de definitieve gegevens nu voor het einde van januari 2015 zullen verschijnen. Grote vraag is natuurlijk waarom dit telkens gebeurt en de geruchtenmachine begin al op gang te komen. Peter Woit denkt dat er serieuze problemen zijn bij de analyse van de Planck-gegevens met een klein multipool moment, de kleine , ‘low ell’ in de tweet hieronder – zie deze Astroblog om meer over die powerspectra te lezen.

Het gaat met name om de vraag of Planck B-mode polarisatie heeft gevonden, die een kosmologische oorsprong heeft, d.w.z. die ontstaan is tijdens de oerknal en niet door gravitatielenzen ná¡ 380.000 jaar na de oerknal, het moment dat de CMB onstond. De laatste maanden hebben de teams van Planck en BICEP2 de handen ineen geslagen en iedereen is in afwachting van het nieuws over de B-mode polarisatie. We wachten het geduldig af. Voor de liefhebbers: hier zijn de video’s te zien van de presentaties deze week in Parijs. Bron: Not Even Wrong.

Krijgen we deze week (eindelijk) de polarisatiegegevens van Planck te zien?

Een mix van polarisatie van de CMB bij 353 GHz en het magnetische veld van de Melkweg. Credit: ESA/planck Collaboration

Zoem zoem zoem, gons gons gons, het gonst weer behoorlijk in de blogosfeer. Deze week wordt in het Palazzo Costabili in het Italiaanse Ferrara een grote conferentie gehouden, PLANCK 2014 – The microwave sky in temperature and polarizationhier de webcast ervan. Op de definitieve resultaten van het onderzoek van de Europese Planck sonde aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling zijn we al anderhalf jaar aan het wachten – de voorlopige gegevens werden op 21 maart 2013 gepubliceerd – en onlangs werd door het Planck-team zelf een tipje van de sluier opgetild over de publicatie:

– The data products and scientific results will be presented at a public conference in Ferrara.– It is planned to release full mission data products and scientific papers to the public before the end of 2014. A few of the derived products will need a little more time to be readied for release, but will be made public within the month of January 2015.

Met de publicatie van de definitieve gegevens, met name de polarisatiegegevens van de CMB, de cosmic microwave background, zoals de straling ook wel wordt genoemd, zou eindelijk duidelijkheid kunnen worden verschaft over de vraag of er in de CMB een signaal zit dat veroorzaakt wordt door de oerknal zelf, de zogeheten kosmologische B-mode polarisatie. In maart dit jaar was er al een geruchtmakende claim van het team van de BICEP2 detector op de zuidpool, dat zij in de CMB B-mode polarisatie hadden gevonden, die veroorzaakt zou worden door zwaartekrachtsgolven die stammen uit de inflatieperiode van de oerknal. In september dit jaar bleek echter uit kaarten die met Planck waren gemaakt van het stof in de Melkweg dat het signaal dat BICEP2 zag puur te danken is aan dat lokale stof. OK, einde verhaal voor de BICEP2-claim van een direct signaal van de oerknal in de CMB, wat moeten we dan nu nog met die definitieve Planck-gegevens? Nou simpel: niet uitgesloten is dat Planck zelf dat signaal heeft gezien. BICEP2 keek in één frequentie naar de CMB en dat was ook nog eens een frequentie die erg gevoelig is voor lokaal stof. Planck keek in maar liefst negen frequenties naar de CMB:

Credit: ESA/planck Collaboration

Vandaar dat alle ogen van de sterrenkundigen gericht zijn op die definitieve gegevens. De conferentie is vandaag begonnen, dus in principe zouden er al resultaten bekend kunnen zijn, maar wat via tweets en blogs op ons af komt is nog niet waar iedereen op zit te wachten. Ja, er is een nogal artistieke foto verschenen met een mix van polarisatie van de CMB bij 353 GHz en het magnetische veld van de Melkweg, welke je helemaal bovenaan ziet staan. Ook is een nieuw power-spectrum gemaakt van de CMB, waarin TT=temperatuur, EE=E-mode polarisatie en TE een mix van die twee – lees deze blog a.u.b. over wat zo’n power spectrum precies voorstelt:

En er zou een waarde voor de constante van Hubble zijn bepaald, de constante die een maat is voor de expansie van het heelal: H0=68,3 km/s/Mpc. Zodra ik meer te horen krijg over de gegevens zal ik het hier melden. Wordt vervolgd. Bron: o.a. In the Dark + Francis Naukas. [Update 21.10 uur] Eén minuut na publicatie van bovenstaande blog zie ik dat er vandaag een grafiek is gepubliceerd, die een bovengrens geeft aan de annihilatie van deeltjes donkere materie:


Er zijn afgelopen jaren diverse claims – o.a. van de PAMELA-satelliet – dat er een positron-overschot is waargenomen en dat dit overschot te danken zou zijn aan de annihilatie van donkere materie. Door bovenstaande gegevens van Planck zou deze claim sterk betwijfeld moeten worden. Hou de rest van de week ook de tweets in de gaten van David Spergel, zoals deze:

Bron: Resonaances.