De TRAPPIST-robottelescoop in Chili waarmee naar exoplaneten gezocht wordt. ESO/E. Jehin/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Nobelprijzen Natuurkunde: nieuwe perspectieven op het universum en op onze plaats erin

Het werk van Nobelprijslaureaat James Peebles vormt de basis van onze huidige begrip van de geschiedenis van het universum en zijn theoretische voorspellingen hebben geleid tot inzichten in onze kosmische omgeving, waarvan gewone materie slechts 5 procent uitmaakt. De overige 95 procent blijft verborgen voor ons en vormt een uitdaging voor natuurkundigen. De ontdekking van een exoplaneet die rond een op de zon lijkende ster draait door de andere twee laureaten, maakte duidelijk dat de aarde niet uniek is, stelde de toen geldende theorieën over de vorming van planeten in vraag en leidde tot een revolutie in de astronomie. 

De afgelopen 50 jaar zijn een gouden tijd geweest voor de kosmologie, de studie van de oorsprong en de evolutie van het universum. In de jaren 60 werd een stevige basis gelegd die de kosmologie zou veranderen van een vakgebied waarin speculatie overheerste, naar een echte wetenschap. De sleutelfiguur in deze overgang was James Peebles, die met zijn doorslaggevende ontdekkingen de kosmologie stevig op de wetenschappelijke kaart zette. Wetenschap en niets anders zou de grote vragen beantwoorden over waar we vandaan komen en waar we naar toe gaan, de kosmologie was bevrijd van menselijke concepten als geloof en zingeving.

Het is nog maar de laatste honderd jaar dat we op de hoogte zijn van de geschiedenis van het universum, en zelfs van het feit dat het universum een geschiedenis heeft. Voor deze periode werd het universum gezien als onveranderlijk en eeuwig, tot in de jaren 20 astronomen ontdekten dat alle sterrenstelsels zich van elkaar en van ons weg bewegen. Het universum breidt zich uit en we weten nu dat het universum van vandaag verschilt van dat van gisteren en dat het ook morgen anders zal zijn. 

Wat de astronomen zagen in de hemel, was al voorspeld door Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1916, die nu de basis vormt voor alle berekeningen op grote schaal over het universum. Toen Einstein ontdekte dat het universum uitdijt, voegde hij een constante toe aan zijn vergelijkingen, de kosmologische constante, die een tegengewicht zou vormen tegen de effecten van de zwaartekracht en die zou maken dat het universum stilstond. 

Meer dan 10 jaar later, toen de expansie van het heelal was waargenomen, was deze constante niet meer nodig. Einstein beschouwde deze kwestie als de grootste blunder van zijn leven. Hij had er helemaal geen idee van dat de kosmologische constante op schitterende wijze zou terugkeren in de kosmologie in de jaren 80, niet in het minst dankzij de bijdragen van James Peebles.  

De uitdijing  van het heelal. NASA/WMAP Science Team

De eerste lichtstralen in het heelal

De expansie van het universum betekent dat het ooit veel dichter en heter was. In het midden van de 20e eeuw werd de geboorte van het universum de big bang genoemd, de oerknal. Niemand weet wat er juist gebeurde helemaal in het begin, maar duidelijk is dat het vroege universum een compacte, hete en ondoorzichtige soep van deeltjes was, waarin lichtdeeltjes, fotonen, enkel wat in het rond stuiterden. 

Het duurde bijna 400.000 jaar voor de expansie deze primordiale soep kon afkoelen tot een paar duizend graden Celsius. De oorspronkelijk deeltjes waren nu in staat om zich met elkaar te combineren, en ze vormden een doorzichtig gas dat vooral bestond uit waterstof- en heliumatomen. Fotonen begonnen zich nu vrij te bewegen en licht was in staat om door de ruimte te reizen. Deze eerste stralen vullen het universum nog steeds, maar de expansie van de ruimte heeft de stralen van zichtbaar licht uitgerokken zodat ze in het bereik van de onzichtbare microgolven zijn geëindigd, met een golflengte van slechts enkele millimeter. 

Die gloed van de geboorte van het universum werd voor het eerst in 1964 bij toeval opgevangen door twee Amerikaanse radio-astronomen, de Nobelprijslaureaten uit 1978 Arno Penzias en Robert Wilson. Ze konden maar niet afgeraken van een constante 'ruis' die hun antenne van overal in de ruimte oppikte, en dus gingen ze op zoek naar een verklaring ervoor in het werk van andere onderzoekers, onder wie ook James Peebles, die theoretische berekeningen had gemaakt over deze alomtegenwoordige achtergrondstraling. 

Na bijna 14 miljard jaar was de temperatuur van de straling teruggevallen tot dicht bij het absolute minimum, - 273 graden Celsius. Een grote doorbraak kwam er toen Peebles zich realiseerde dat de temperatuur van de straling informatie kon verschaffen over hoe veel materie er gecreëerd was in de big bang, en toen hij begreep dat het vrijkomen van dit licht een doorslaggevende rol speelde in hoe de materie later kon samenklonteren om de sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsel te vormen die we nu in de ruimte vinden. 

De ontdekking van microgolfstraling luidde een nieuw tijdperk in in de kosmologie. De oude straling uit de kindertijd van het universum is intussen een goudmijn geworden die de antwoorden bevat op bijna alles wat kosmologen willen weten: hoe oud is het universum, wat is zijn lot en hoeveel materie en energie bestaat er in het universum? 

Geleerden kunnen sporen van de allereerste ogenblikken van het bestaan van het universum vinden in deze koude nagloed, kleine variaties die zich voortplantten als geluidsgolven door die vroege primordiale soep. Zonder deze kleine variaties zou de kosmos afgekoeld zijn van een hete vuurbal tot een koude en uniforme leegheid.

We weten dat dit niet gebeurd is, dat de ruimte vol zit met sterrenstelsels, die vaak samenhangen in clusters van sterrenstelsels. De achtergrondstraling is vlak op dezelfde manier als het oppervlak van de oceaan dat is: van dichtbij zijn de golven zichtbaar, rimpelingen die de variaties in het vroege universum blootleggen. Telkens opnieuw heeft James Peebles het voortouw genomen bij de interpretatie van die fossiele sporen uit de vroegste tijdvakken van het universum. Met een verbijsterende nauwkeurigheid waren de kosmologen in staat om variaties in de achtergrondstraling te voorspellen en te tonen hoe ze de materie en de energie in het universum beïnvloeden. 

De eerste grote doorbraak op het vlak van waarnemingen kwam er in april 1992, toen de belangrijkste onderzoekers van het Amerikaanse COBE-satellietproject een beeld voorstelden van de eerste lichtstralen in het universum, iets wat John Mather en George Smoot in 2006 de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde. Andere satellieten, de Amerikaanse WMAP en de Europese Planck-satelliet, verfijnden gaandeweg dit portret van het jonge universum. Precies zoals voorspeld varieerde de voor de rest gelijkmatige temperatuur van de achtergrondstraling met een honderdduizendste van een graad. Met een toenemende nauwkeurigheid werden de theoretische berekeningen bevestigd van de materie en de energie die het universum bevat. En het overgrote deel daarvan, 95 procent, is onzichtbaar voor ons.

Een beeld van de temperatuurverschillen in de kosmische achtergrondstraling, geprojecteerd over de hemelbol. De gemiddelde temperatuur van de straling is 2,725 Kelvin boven het absolute nulpunt van - 273,15 graden Celsius en de kleuren geven de minieme temperatuursverschillen weer. Rood is warmer en blauw is zo'n 0,0002 graden kouder. NASA/Public domain

Donkere materie en donkere energie, de grootste raadsels van de kosmologie

Sinds de jaren 30 weten we dat wat er meer is dan we kunnen zien. Metingen van de rotatiesnelheden van sterrenstelsels wijzen erop dat ze bij elkaar moeten worden gehouden door de zwaartekracht van onzichtbare materie, want anders zouden ze uit elkaar gerukt worden. Er werd ook gedacht dat deze donkere materie een belangrijke rol heeft gespeeld in het ontstaan van sterrenstelsels, lang voor de primordiale soep haar greep op de fotonen losliet.

De samenstelling van donkere materie blijft een van de grootste raadsels in de kosmologie. Wetenschappers hebben lang geloofd dat de reeds bekende neutrino's deze donkere materie konden vormen, maar de ongelooflijke aantallen van neutrinos met een lage massa die de ruimte doorkruisen tegen een snelheid die die van het licht benadert, zijn veel te snel om te kunnen helpen materie bij elkaar te houden. In 1982 stelde Peebles voor dat zware en trage deeltjes van koude materie de klus zouden kunnen klaren in plaats van de neutrino's.  De kosmologen zijn nog steeds op zoek naar deze onbekende deeltjes van koude, donkere materie, die vermijden in interactie te treden met de bekende materie en die goed zijn voor 26 procent van het universum.

Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein is de geometrie van de ruimte verbonden met de zwaartekracht - hoe meer massa en energie het universum bevat, hoe meer de ruimte gekromd wordt. Aan een bepaalde kritische waarde van massa en energie, wordt het universum niet gekromd. Dit soort van universum, waarin twee parallelle lijnen elkaar nooit zullen kruisen, wordt meestal vlak genoemd. Twee andere mogelijkheden zijn een universum waarin er te weinig materie is, wat leidt tot een open universum waarin parallelle lijnen uiteindelijk uit elkaar zullen wijken, of een gesloten universum met te veel materie, waarin parallelle lijnen uiteindelijk elkaar wel zullen kruisen.

Metingen van de kosmische achtergrondstraling en theoretische beschouwingen gaven op die kwestie een duidelijk antwoord: het universum is vlak. De materie die het bevat is slechts goed voor 31 procent van die kritische waarde, waarvan 5 procent gewone materie is en 26 procent donkere materie. Het grootste deel, 69 procent, ontbreekt. En opnieuw kwam James Peebles naar voren met een radicale oplossing. In 1984 leverde hij een bijdrage aan het nieuw leven inblazen van de kosmologische constante van Einstein, wat de energie is van de lege ruimte. Dit werd donkere energie genoemd en het vult 69 procent van het universum. Samen met de koude donkere materie en de gewone materie volstaat dat om het idee van een vlak universum te ondersteunen. 

Donkere energie bleef gedurende 14 jaar enkel een theorie, tot de versnellende uitbreiding van het universum ontdekt werd in 1998, wat op zijn beurt goed was voor een Nobelprijs Natuurkunde voor Saul Perlmutter, Brian Schmidt en Adam Riess in 2011. Iets anders dan materie moet verantwoordelijk zijn voor de steeds sneller gaande expansie: een onbekende donkere energie moet druk uitoefenen. Ineens werd een theoretische toevoeging een realiteit die waargenomen kon worden in de ruimte. 

Zowel donkere materie als donkere energie behoren nu tot de grootste raadsels in de kosmologie. Ze maken zich alleen kenbaar door de impact die ze hebben op hun omgeving - de ene trekt, de andere duwt. Voor de rest is er niet veel over geweten. Welke geheimen liggen er verborgen in deze donkere kant van het universum? Welke nieuwe natuurkunde zit er verscholen achter het onbekende? Wat zullen we nog ontdekken bij onze pogingen om de raadsels van de ruimte op te lossen?

De samenstelling van he heelal op basis van de metingen van de WMAP-satelliet in 2003. Intussen zijn de cijfers bijgesteld naar 69 procent donkere energie, 26 procent donkere materie en 5 procent zichtbare materie. NASA/Public domain

De eerste planeet in een baan rond een andere zon

De meeste kosmologen zijn het er nu over eens dat het model van de big bang een waar verhaal is over de oorsprong en de ontwikkeling van het universum, ondanks het feit dat we slechts 5 procent van zijn materie en energie kennen. Dit kleine deeltje aan materie klonterde uiteindelijk samen om alles te maken dat we rondom ons zien: sterren, planeten, bomen, bloemen en dieren, en ook mensen. Zijn we de enigen die naar de kosmos kijken? Is er ergens anders in de ruimte leven, op een planeet in een baan rond een andere zon? Niemand weet het, maar we weten nu wel dat onze zon niet de enige is met planeten, en dat de meeste van de honderden miljarden sterren in de Melkweg ook begeleidende planeten zouden moeten hebben. 

Astronomen hebben nu weet van meer dan 4.000 exoplaneten en we hebben vreemde, nieuwe werelden ontdekt, die in niets lijken op ons planetair systeem. De eerste met zekerheid ontdekte exoplaneet was zo vreemd dat bijna niemand geloofde dat het waar was: de planeet was te groot om zo dicht bij haar gastster te staan. 

Michel Mayor en Didier Queloz kondigden hun sensationele ontdekking aan op een conferentie van astronomen in Firenze in Italië op 6 oktober 1995. Het was de eerste exoplaneet waarvan bewezen was dat ze rond een ster draaide die op onze zon leek. De planeet 51 Pegasi b, draait snel rond haar ster, 51 Pegasi, die zo'n 50 lichtjaar van de aarde verwijderd is. De planeet doet slechts iets meer dan 4 dagen over een volledige baan rond de ster, wat betekent dat een jaar op de planeet vier dagen lang is, en dat ze erg dicht bij de ster staat - op een afstand van slechts 8 miljoen kilometer. De ster verhit de planeet tot meer dan 1.000 graden Celsius. Op aarde gaat het er heel wat rustiger aan toe, met een baan die een jaar in beslag neemt op een afstand van 150 miljoen kilometer. 

De nieuw ontdekte planeet bleek ook verrassend groot te zijn: een gasachtige bal die vergelijkbaar is met de grootste gasreus - of ijsreus zoals men nu zegt - in ons zonnestelsel, Jupiter. Het volume van Jupiter is 1.300 keer groter dan dat van de aarde en Jupiter weegt 300 keer zo veel. Volgens de vroegere ideeën over de vorming van planeten, zouden planeten met de grootte van Jupiter ver van de gastster ontstaan moeten zijn, en bijgevolg zouden ze er ook een lange tijd moeten over tijd om rond de ster te draaien. Jupiter doet bijna 12 jaar over een volledige baan rond de zon en dus was de korte omlooptijd van 51 Pegasi b een complete verrassing voor de jagers op exoplaneten. Ze hadden tot dan toe op de verkeerde plaatsen gezocht.

Bijna onmiddellijk na de bekendmaking richtten twee Amerikaanse astronomen, Paul Butler en Geoffrey Marcy, hun telescoop naar de ster 51 Pegasi en ze konden al snel de revolutionaire ontdekking van Mayor en Queloz bevestigen. Slechts enkele maanden later vonden ze twee nieuwe exoplaneten in een baan rond een zonachtige ster. De korte omlooptijden van de planeten waren handig voor de astronomen die geen maanden of jaren hoefden te wachten om een exoplaneet een volledige baan rond haar ster te zien maken. Ze hadden nu tijd om de planeten waar te nemen terwijl ze het ene baantje na het andere voltooiden.

Hoe waren die planeten zo dicht bij de ster geraakt? Die vraag vormde een uitdaging voor de bestaande theorie over de oorsprong van planeten en leidde tot nieuwe theorieën die beschrijven hoe grote ballen van gas gecreëerd werden aan de randen van hun zonsystemen, en dan in een spiraal naar de gastster toe gingen. 

Een afbeelding van de sterrenhemel boven Stockholm in oktober. De ster 51 Pegasi staat in het sterrenbeeld Pegasus. De ster is enkel zichtbaar met het blote oog als het echt donker is. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Verfijnde methoden leidden tot de ontdekking

Om een exoplaneet op te sporen zijn er geavanceerde methoden nodig: planeten geven immers zelf geen licht, ze weerkaatsen enkel het licht van de ster zo zwakjes dat hun schijnsel overweldigd wordt door het heldere licht van hun gastster. De methode die gebruikt wordt door onderzoeksgroepen om een planeet te vinden, wordt de radiële snelheidsmethode of doppler spectroscopie genoemd: ze meet de beweging van de gastster terwijl die beïnvloed wordt door de zwaartekracht van haar planeet. Terwijl de planeet zich rond de ster beweegt, beweegt ook de ster lichtjes - ze bewegen zich beide rond hun gemeenschappelijk zwaartekrachtscentrum. Gezien vanuit het observatiepunt op aarde, waggelt de ster naar voren en naar achteren in de gezichtslijn. 

De snelheid van die beweging, de radiële snelheid, kan gemeten worden dankzij het vertrouwde dopplereffect: lichtstralen afkomstig van een object dat zich naar ons toe beweegt, zijn blauwer, als het object zich van ons weg beweegt, zijn ze roder. Hetzelfde effect kunnen we horen als de sirene van een ziekenwagen hoger gaat klinken als hij naar ons toekomt, en lager als de ziekenwagen voorbij is en van ons wegrijdt. 

Het effect van de planeet verandert op die manier afwisselend de kleur van het licht van de ster naar het blauw of het rood toe, en het zijn deze veranderingen in de golflengte van het licht die de astronomen opvangen met hun instrumenten. De veranderingen van kleur kunnen precies vastgesteld worden door de golflengten van het licht van de ster te meten, wat een directe meting geeft van haar snelheid in de gezichtslijn. 

De grootste uitdaging is dat de radiële snelheiden extreem laag zijn. Zo doet de zwaartekacht van Jupiter de zon bewegen aan een snelheid van zo'n 12 meter per seconde rond het zwaartekrachtscentrum van ons zonnestelsell. De aarde draagt slechts 0,09 m/s bij, wat buitengewone eisen stelt aan de gevoeligheid van de instrumenten als men een op de aarde lijkende planeet wil ontdekken. Om de nauwkeurigheid te vergroten, meten astronomen verschillende duizenden golflengten tegelijk. Het licht wordt verdeeld in de verschillende golflengten met behulp van een spectrograaf, die het hart vormt van deze metingen. 

Planeten zoeken met de radiële snelheidsmethode. De ster beweegt doordat ze beïnvloed wordt door de zwaartekracht van haar planeet. Vanaf de aarde gezien, wiebelt de ster naar voren en naar achteren in de gezichtslijn. De snelheid van deze beweging, de radiële snelheid, kan vastgesteld worden aan de hand van het dopplereffect, aangezien het licht van een bewegend object van kleur verandert. Een blauwverschuiving vindt plaats bij licht van een object dat zich naar ons toe beweegt, het licht wordt blauwer, een roodverschuiving doet zich voor als het object zich van ons weg beweegt, dan wordt het licht roder. De snelheid van de ster varieert terwijl ze zich van de aarde weg beweegt en er naar toe, door de omloop van de planeet. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

In de vroege jaren 90, toen Didier Queloz aan zijn carriere als onderzoeker begon aan de Université de Genève, had Michel Mayor al heel wat jaren besteed aan het bestuderen van de bewegingen van sterren, en met de hulp van collega's bouwde hij zijn eigen meetinstrumenten. In 1997 was Mayor in staat om zijn eerste spectrograaf met een hoog scheidend vermogen te monteren op een telescoop in het Observatoire de Haute-Provence, die gebruikt werd door het Observatoire de Genève. Dat liet een ondergrens toe van snelheden rond 300 m/s, maar dat was nog steeds te hoog om te kunnen zien dat een planeet trok aan haar ster. 

Samen met de onderzoeksgroep werd doctoraatsstudent Queloz gevraagd om nieuwe methoden te ontwikkelen voor nog nauwkeurigere metingen. De onderzoekers gebruikten nieuwe technologieën die het mogelijk maakten om snel naar veel sterren te kijken en de resultaten ter plaatse te analyseren. Optische fiberkabels konden het licht van de sterren naar de spectrograaf voeren zonder het te vervormen en betere digitale beeldsensoren verhoogden de lichtgevoeligheid van de machine. Krachtiger computers lieten de onderzoekers toe om op maat gemaakte software te ontwikkelen voor het verwerken van digitale beelden en data. 

In de lente van 1994 was een nieuwe spectrograaf klaar, ELODIE genaamd, en daardoor zakte de nodige snelheid tot 10 tot 15 m/s. De eerste ontdekking van een exoplaneet zou niet lang meer op zich laten wachten. In die tijd maakte het zoeken naar exoplaneten geen deel uit van de mainstream astronomie, maar Mayor en Queloz hadden besloten om hun ontdekking bekend te maken. Ze  besteedden nog verschillende maanden aan het verfijnen van hun resultaten, en in oktober 1995 waren ze klaar om hun allereerste planeet aan de wereld voor te stellen.  

Het opsporen van exoplaneten door transitiefotometrie. De intensiteit van het licht van de ster vermindert als de planeet zich tussen de ster en onze gezichtslijn beweegt. Dit effect wordt waargenomen door telescopen op aarde. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Duizenden nieuwe werelden aan het licht gebracht

De ontdekking van een exoplaneet in een baan rond een zonachtige ster bracht een revolutie in de astronomie teweeg. Duizenden nieuwe werelden werden sindsdien ontdekt en nieuwe planetaire systemen worden nu niet enkel meer opgespoord met telescopen op aarde, maar ook met satellieten. TESS, een Amerikaanse ruimtetelescoop, scant momenteel meer dan 200.000 van de sterren die het dichtst bij ons staan, op zoek naar planeten die op de aarde lijken. Eerder had de Kepler ruimtetelescoop al een flinke buit opgeleverd met de ontdekking van meer dan 2.300 exoplaneten. 

Samen met de variaties in de radiële snelheid wordt nu ook de transitiefotometrie gebruikt om exoplaneten te zoeken. Deze methode meet veranderingen in de intensiteit van het licht van de ster als een planeet voor de ster voorbij trekt en een deel ervan verduistert, als dit zich afspeelt in onze gezichtslijn. Transitiefotometrie laat astronomen ook toe om de atmosfeer van de exoplaneet te observeren terwijl het licht van de ster erdoor gaat op zijn weg naar de aarde. Soms kunnen de twee methodes gebruikt worden: transitiefotometrie geeft de grootte van de exoplaneet, terwijl haar massa kan vastgesteld worden met behulp van de radiële snelheidsmethode. Met die twee gegevens is het mogelijk de dichtheid van de exoplaneet te bepalen en zo haar structuur vast te stellen. 

De exoplaneten die tot nu toe ontdekt zijn, hebben ons versteld doen staan door de verbijsterende verscheidenheid aan vormen, groottes en omloopbanen. Ze hebben onze vooropgezette meningen over planetaire systemen in vraag gesteld en onderzoekers ertoe gedwongen hun theorieën over de fysische processen die verantwoordelijk zijn voor het ontstaan van planeten te herzien. En nu er talrijke projecten op stapel staan om te beginnen zoeken naar exoplaneten, zouden we uiteindelijk een antwoord kunnen vinden op de eeuwige vraag of er ander leven is ergens in de ruimte. 

De laureaten van dit jaar hebben onze ideeën over het universum veranderd, aldus de Koninklijk Zweedse Academie der Wetenschappen. De theoretische ontdekkingen van James Peebles hebben bijgedragen aan ons begrip van hoe het universum geëvolueerd is na de big bang, terwijl Michel Mayor en Didier Queloz onze kosmische buurt onderzocht hebben op zoek naar onbekende planeten. Hun ontdekkingen hebben onze opvattingen over de wereld voorgoed veranderd, aldus de academie. 

Dit artikel is gebaseerd op een perstekst van Koninklijke Zweedse Academie der Wetenschappen.  

Astronomen zetten hun zoektocht naar exoplaneten voort in het deel van de ruimte dat het dichts bij ons ligt, de cirkel rond ons zonnestelsel. Een groot deel van de Melkweg blijft onontgonnen terrein, zoals blijkt uit de afstand tot het centrum van de Melkweg, 30.000 lichtjaar van ons verwijderd. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences