Die ontdekking van die oerknal se eggo
’n Halfeeu gelede het twee wetenskaplikes per ongeluk op die bewys afgekom dat die oerknal werklik gebeur het. Hier is hul uitsonderlike verhaal
DIE grootste ontdekking in die geskiedenis van die wetenskap is dat daar ’ n dag sonder ’ n gister was. Die heelal het nie vir altyd bestaan nie; dis gebore. Amper 14 miljard jaar gelede het alle materie, energie, ruimte – en selfs tyd – in ’n titaniese vuurbal uitgebars. Dit word die oerknal genoem.
Die vuurbal het uitgesit, en toe die brokstukke daarvan eindelik afkoel, het dit sterrestelsels gevorm; groot eilande sterre waarvan ons Melkweg een van ’n geraamde 2 biljoen is. Dit is die oerknalteorie in ’n neutedop.
Die idee dat die heelal skielik uit niks te voorskyn gekom het, klink stapelgek. Dit laat dadelik die vraag ontstaan: Wat het vooraf gebeur? Hoofsaaklik omdat niemand die ongemaklike kwessie wou aanroer nie, moes die meeste wetenskaplikes die idee van die oerknal langtand aanvaar. Want die bewyse daarvoor het hulle geen keuse gelaat nie. En daardie bewyse is letterlik in die lug om ons.
Maar daarvan het twee jong sterrekundiges by die navorsings maatskappy Bell Labs in New Jersey, Amerika, vroeg in 1965 nog nie die vaagste benul gehad nie. Pleks daarvan was hulle radeloos oor die aanhoudende gesis van radiosteuring wat skynbaar van oral in die lug kom. Dit het toe al ses maande lank hul planne in die wiele gery om waarnemings oor die heelal te maak.
Die vooruitsig om ’ n reuseradio“horing” vir hul navorsing oor die sterrekunde te gebruik het Arno Penzias en Robert Wilson na Bell Labs, wat deel is van die reuse foon maatskappy AT&T, gelok. Dié horing, so groot soos ’n treinwa, het op Crawfordheuwel naby die dorpie Holmdel gestaan. Radiogolwe het dit by die opening van sy bek van 6 m binnegedring en is dan soos in ’n tregter afgelei tot by ’n ontvangstoestel in ’n houtkajuit wat aan die spits punt van die horing vasgegespe was.
Die horing is in 1959 gebou om die tegnologie te help bevorder om radioseine na die eerste kommunikasie satelliete te stuur wat in ’n wentelbaan om die aarde geplaas is, en dit ook daarvan te ontvang. Die eerste toets is uitgevoer met Echo 1, ’n soort Steentydperk satelliet wat deur Nasa gelanseer is. In wese was dit ’n versilwerde opblaasbare strandbal met ’n deursnee van 30 m wat radiogolwe vanaf die horing kon terugbons en opvang. (’n Radiohoring kan radiogolwe stuur én ontvang.)
Echo 1 is gevolg deur Telstar, die eerste moderne kommunikasie satelliet. Tel star het nie net die radiogolwe teruggebons wat van die grond af gestuur is nie; dit het die golwe ook versterk voor dit oorgesein is. Dit was ’n wêreldwye sensasie. In 1962 is die eerste televisiebeelde deur middel van Telstar tussen Amerika en Europa uitgesaai.
Die AT&T-toetse was ’n groot sukses en het die era van kommunikasiesatelliete ingelui. Teen 1963 het die ingenieurs nie meer die horing op Crawfordheuwel nodig gehad nie.
Die maatskappy het toe besluit om radio sterrekundiges in dienste neem. Dit was immers deel van hul werk om dowwe radioseine in die lug te bespeur;
daarom was dit vir AT&T voordelig om die ongebruikte horing aan teoretiese wetenskap af te staan.
Arno, ’n dinamiese New Yorker wie se familie uit Nazi-Duitsland na Amerika gevlug het, het in 1962 as 29-jarige in Holmdel aangekom. Robert, ’n teruggetrokke 28-jarige, het vroeg in 1964 van die Kaliforniese Instituut vir Tegnologie daar ingeval. Daardie somer het dié twee begin saamwerk.
Robert het vermoed ons Melkwegstelsel, wat baie soos ’n plat CD gevorm is, is moontlik in ’n sfeervormige ligkrans van uiters koue waterstofgas ingebed. As dit die geval was, sou baie dowwe radiogolwe die gas laat gloei. Dit
‘Die vuurbal het uitgesit, en toe die brokstukke daarvan eindelik afkoel, het dit sterrestelsels gevorm
het later geblyk radiogolwe laat alles gloei – bome, geboue, die lug, mense en so meer – en dit verdring die soort dowwe seine waarna Robert op soek was.
’n Unieke kenmerk van die horing by Holmdel was dat wanneer sy bek van 6 m na enige plek in die lug gerig is radiogolwe van al die onegte bronne moeilik daarby kon inkom. Robert se dowwe sein – in wese ’n gesis van radiosteuring – is dus nie deur ander radio golwe oorweldig nie.
Met die horing wou hulle radiogolwe van ’n frekwensie probeer opvang waarteen hulle na verwagting die gloed van die sterrestelsel se ligkrans sou kon bespeur. Maar eers het Arno en Robert besluit om hul eksperimentele raamwerk te toets deur radiogolwe waar te neem van ’n frekwensie waarteen hulle geen gloed verwag het nie. As die sein wat hulle opvang presies zero was, sou hulle op die regte spoor wees.
Maar toe die twee sterrekundiges die horing na ’n kol leë lug mik, het die aanhoudende gesis van radiosteuring oral voorgekom pleks van geen sein nie. Dit was wat ’n voorwerp op sowat -270 °C, oftewel drie grade bo absolute zero (-273 °C), sou uitstraal – die laagste temperatuur wat bereik kan word.
Eers het hulle gedink die gesis van radiosteuring kom dalk van New York net anderkant die horison. Maar toe hulle hul horing van daardie rigting wegdraai, was die sein steeds daar.
Daarna het hulle gedink dit kom dalk van ’n bron in die sonnestelsel; die son en Jupiter pomp albei radiogolwe uit. Maar namate die maande verloop terwyl die aarde in sy wentelbaan om die son draai, sou die ligging van so ’n bron verander. Tog het die radiosteuring hardnekkig daar gebly.
Arno en Robert het gewonder of ’n kernbomtoets wat ’n paar jaar tevore baie hoog bo seevlak uitgevoer is die bron van die radiosteuring is. Met dié toets is elektrone in die buitenste lae van die aarde se atmosfeer ingespuit en sulke partikels sou radiogolwe kon uitstraal. Maar as die radiosteuring met die bomontploffing te doen gehad het, sou dit mettertyd afgeneem het, wat nie die geval was nie.
Eindelik is Arno en Robert se aandag gevestig op twee duiwe wat in die spitspunt van die horing nesgemaak het. Dit klink dalk na ’n dom plek om ’n tuiste te skep – hulle moes immers hul nes oorbou elke keer wanneer die horing op ’n ander deel van die lug gerig word. Maar die winters in New Jersey is baie koud en die spitspunt van die horing, waar die duiwe se nes was, was langs die yskas wat die elektronika van die radioontvanger afkoel. Enigeen wat al aan die agterkant van ’n yskas was, weet dis warm daar. Die twee duiwe het dus ’n lekker warm plekkie gekies om hul gesin groot te maak.
In die proses het hulle die horing van binne oortrek met wat die twee wetenskaplikes as ’n “wit diëlektriese materiaal” beskryf het, maar wat gewone sterflinge as duifmis ken. Voëlmis straal nes alle ander dinge radiogolwe uit. Kon dit die bron wees van die irriterende gesis van radiosteuring wat Arno en Robert al maande lank gekeer het om hulle in die sterrekunde te verdiep?
Die sterrekundiges het ’n diervriendelike vanghok by ’n ysterwarewinkel daar naby gekoop en die twee duiwe met kos binnetoe gelok. Hulle het hulle toe na ’n ander AT&T-perseel by Whippany, sowat 60 km daarvandaan, gepos. Daarna het hulle hul stewels en oorpakke aangetrek en met besems by die radiohoring ingeklim.
Ywerig het hulle al die wit aanpaksel binne afgeskuur. Daarby het hulle al die klinknaels wat die horing se metaalplate aanmekaarheg met aluminiumband bedek, ingeval dit tot die radiogesis bydra.
Terug in hul gewone klere en vol hoop dat hulle eindelik die probleem opgelos het, het Arno en Robert weer die bek van die horing na die hemel gedraai. Maar tot hul ontsteltenis was die gesis steeds daar.
TEEN dié tyd was dit al die lente van 1965 en het hulle as wetenskaplikes nog niks uitgevoer sedert hulle die vorige somer begin saamwerk het nie. Maar net toe hulle moedeloos raak, bel Arno toevallig ’n fisikusvriend van hom, Bernie Burke. Die oproep was oor iets heel anders, maar aan die einde van die gesprek kon hy nie help om te kla oor die irriterende gesis van radiosteuring wat hulle by Crawfordheuwel waarneem nie.
Bennie het dadelik regop gesit. Hy was kort tevore by ’n praatjie deur ’n navorser aan die Princeton-universiteit genaamd Jim Peebles. Wat hy daarvan onthou het, is dat Jim se baas, Bob Dicke, toesig hou oor die bou van ’ n radioteleskoop waarmee na radiogolwe gesoek sal word wat uit ’n moontlike warm, digte fase van die vroeë heelal oorleef het.
Arno het dadelik Princeton toe gebel. Bob en sy span was besig om kospakkies in sy kantoor te eet. Hulle het ’n kort, tegniese gesprek gevoer, en toe Bob die foon neersit, het hy rondgekyk. “Ouens,” het hy ernstig gesê, “ons is voorgespring.”
Die volgende dag het Bob se groep na Holmdel, net 50 km van Princeton, gery. Nadat hulle die radiohoring ondersoek en vlugtig met Arno en Robert gepraat het, het Bob besef die twee wetenskaplikes van Bell Labs het afgekom op pre-
Kon voëlmis die bron van die irriterende gesis van radiosteuring wees?
sies waarna waarnadiePrincetonspanwousoek die Princetonspan wou soek.
Anders as die hitte van byvoorbeeld die vuurbal van ’n kernontploffing wat in sy omgewing uitgestraal word en dan verdwyn, het die hitte van die oerknalvuurbal nêrens gehad om heen te gaan nie. Dit is in die heelal vasgekeer, wat per definisie al is wat daar bestaan.
Gevolglik is die hitte-“nagloed” van die oerknal vandag nog hier. Die uitsetting van die heelal in die afgelope 13,82 miljard jaar het dit wel drasties laat afkoel. En dit verskyn nie as sigbare lig nie, maar as onsigbare radiogolwe.
Wanneer jy ’n ou analoogtelevisiestel tussen die stasies instel, is 1% van die “radiosteuring” op die skerm van die oerknal afkomstig. Voor jou televisieantenna dit onderskep, het dit meer as 13 miljard jaar lank deur die ruimte gereis. En die laaste ding waaraan dit geraak het, was die vuurbal van die oerknal.
Merkwaardig genoeg word 99,9% van alle ligpartikels, of fotone, in die heelal met die nagloed van die oerknal verbind en straal die sterre en sterrestelsels ’n skamele 0,1% daarvan uit. (Hier beteken “lig” sigbare lig sowel as onsigbare radiogolwe.) As jy die radiogolwe met die blote oog sou kon sien, sou dit gelyk het of die heelal ’n skitterwit gloed het. Dit D sou gevoel het asof jy binne-in ’n reusegloeilamp re is.
Die nagloed van die oerknal is die treffendste tr kenmerk van ons heelal. En tog het Arno en Robert dit eers in 1965 1 ontdek – en dit per ongeluk. (Een (E van die redes daarvoor is dat dit ook o die koudste ding op enige plek in die d heelal is.)
Die “kosmiese agtergrondstraling” kom k uit ’ n tyd toe die heelal net 380 3 000 jaar oud was. Dit is werklik die d oudste fossiel in die skepping. Daarop D is ’n “babafoto” van die heelal afgedruk afg op ’n beslissende oomblik toe swaartekrag materie van die afkoelende oerknal laat saamkoek het. Daardie proses het op die geboorte van sterrestelsels uitgeloop soos die een waarin jy nou leef.
Dit blyk dat daardie babafoto ’n goudmyn van wetenskaplike inligting bevat. Elke kosmiese parameter waarvan jy al gehoor het – soos dat die heelal 13,82 miljard jaar oud is – kom uit die kosmiese agtergrond. En kosmoloë ontgin steeds inligting daarvan. Gravitasiegolwe is skynbaar daarop ingeprent; dit verwys na rimpelings in die stof waarvan ruimtetyd gemaak is van die eerste breukdeel van ’n sekonde van die oerknal. Dit sal amper beslis Einstein se teorie van swaartekrag verkeerd bewys en die weg vir ’n nuwe fisika baan.
Bisar genoeg het dit later geblyk die kosmiese agtergrondstraling is eintlik reeds voorspel en ontdek.
Sewentien jaar tevore, in 1948, het die Amerikaanse fisici Ralph Alpher en Robert Herman geraai die hitte van ’ n “warm” oerknal moet steeds iewers in die omtrek wees en hul voorspelling is in die Britse wetenskaptydskrif Nature gepubliseer. Niemand het toe veel aandag aan hul voorspelling geskenk nie.
Nog vroeër, in 1938, het Walter Adams met ’n teleskoop van 2,5 m op die berg Wilson noord van Los Angeles opgemerk buite in die koue ruimte tol piepklein grondboontjievormige molekules sianogeen vinniger in die rondte as wat dit behoort. Die Kanadese sterrekundige Andrew McKellar het gewonder of iets dalk aan hulle stamp. Met die ontdekking van die kosmiese agtergrondstraling wat tot elke stippeltjie van die heelal deurdring, het dit skielik duidelik geword wat daardie “iets” was.
In sy blitsverkoper The First Three Minutes besin die Nobelpryswenner Steven Weinberg oor die rede hoekom die kosmiese agtergrondstraling so lank volkome geïgnoreer is. Hy kom tot die slotsom dat wetenskaplikes destyds in 1948 eenvoudig nie kon glo iets so gek soos die oerknal kan regtig waar wees nie.
“Fisici se fout,” sê hy, “is nie dat hulle hul teorieë te ernstig opneem nie, maar dat hulle dit nie ernstig genoeg opneem nie.”
IRONIES genoeg was Arno en Robert albei voorstanders van die bestendigetoestandteorie wat die Britse kosmoloog Fred Hoyle en twee van sy kollegas geformuleer het. Daarvolgens het die heelal nog altyd bestaan en het dit geen warm, digte begin gehad nie.
Dus was Arno en Robert nie geneë om dit waarop hulle afgekom het aan die oerknal toe te skryf nie.
Toe skryf hulle ’n referaat waarin hulle die irriterende gesis van radiosteuring noem en sê die uitslag van hul proefneming sal steek hou, wat ook al gebeur. Maar hulle het alle bespiegeling oor wat presies daardie gesis is, oorgelaat aan ’n meegaande referaat wat deur Bob se span geskryf is.
Twee jaar lank het Arno en Robert nie die feit erken dat die sein wat hulle bespeur het enigiets met die geboorte van die heelal te doen gehad het nie. Tog het hulle in 1978 die Nobelprys vir fisika gekry vir die ontdekking van die oorblywende nagloed van die oerknal se vuurbal.
En die duiwe? Wel, hulle het na die Holmdelhoring teruggekeer – hulle was immers posduiwe – en moes ongelukkig geskiet word. Al ligpunt is dat hulle vir die wetenskap gesterf het. Hul mis word gedurig in sterrekundeboeke genoem. Nog nooit in die geskiedenis van die wetenskap is iets so diepsinnigs vir iets so alledaags aangesien nie.