astronomie

Werkt de grootste planeet van het zonnestelsel als een zwaartekrachtslens van donkere materie? bron: NASA

‘Donkere materie veroorzaakt elfjarige zonnecyclus’

21 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 25 februari 2014

De zon kent meerdere cycli, waarvan de elfjarige zonnevlekkencyclus de belangrijkste is. Al eerder is astronomen opgevallen dat deze cyclus ongeveer in de maat loopt van de omloop van Jupiter, die enkele maanden langer, 11,8 jaar duurt. Is donkere materie de verklaring voor de cyclus? Ja, zegt een zeer speculatief artikel.

Het röntgenmysterie
De helderheid van de zon varieert in het zichtbare domein met enkele duizendsten in de loop van elf jaar. De variatie in röntgenstraling is veel groter: op sommige punten van de zonnecyclus is deze honderd maal zo sterk als op andere punten. Er moet een zeer energetisch krachtig proces zijn, dat deze geheimzinnige variatie veroorzaakt. Niemand weet wat deze variatie precies veroorzaakt, al zijn er vermoedens, zoals magnetische velden.

Jupiter als zwaartekrachtslens
Nu is een groep astronomen met een nieuwe verklaring gekomen. Volgens hen is donkere materie, die de zon treft, de verklaring voor de bizarre veranderingen. De reuzenplaneet Jupiter zou hier een cruciale rol in spelen: deze planeet, in samenwerking met de andere planeten, werkt volgens de onderzoekers als een zwaartekrachtslens, die een bundel donkere materie op de zon richt. Dit zou dan weer het periodieke gedrag veroorzaken. De sterkste asymmetrische factor buiten het zonnestelsel is uiteraard het Melkwegstelsel waar we deel van uitmaken. Een samenspel tussen Jupiter en de galactische donkere materiestromen zou dan de periodieke fluctuaties veroorzaken.

Werkt de grootste planeet van het zonnestelsel als een zwaartekrachtslens van donkere materie? bron: NASA
Werkt de grootste planeet van het zonnestelsel als een zwaartekrachtslens van donkere materie? bron: NASA

Barycentrum
Op de middelbare school heeft u geleerd dat de planeten om de zon draaien. Dit is in feite onjuist. Zon en planeten draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt, het barycentrum, dat in de praktijk neerkomt op een punt tussen de Zon en Jupiter dat vlak boven de ‘oppervlakte’ van de zon ligt. Een buitenaardse astronoom kan aan de schommelingen van de zon daarom zien dat de zon een zware reuzenplaneet heeft: in feite is dit een bekende manier om zware exoplaneten te vinden.

Stromen van donkere materie
In veel modellen van donkere materie bewegen de donkere materiedeeltjes vrij langzaam, rond een duizendste van de lichtsnelheid. Zwaartekrachtsvelden worden bij deze lage snelheden belangrijk. De theorie van de auteurs, dat de zon geregeld een ‘douche’ van donkere materie te verwerken krijgt, die door de planeten de richting van de zon op wordt gebogen, is daarmee op zich aannemelijk. Het kan interessant zijn om na te gaan waar deze stroom donkere materie vandaan komt: hoe staan de planeten ten opzichte van de rest van de Melkweg uitgelijnd als de zonnevlekkenactiviteit maximaal, of juist minimaal is? De auteurs raden aan om rekening te houden met deze kosmische invloeden bij het opzetten van toekomstige donkere materie detectie-experimenten. Wellicht dat we dan twee hardnekkige raadsels in een keer kunnen oplossen, en misschien in de verdere toekomst een overvloedige bron van gratis energie af kunnen tappen.

Bron
Konstantin Zioutas et al., The 11-Years Solar Cycle As The Manifestation Of The Dark Universe, ArXiv preprint server, 2013

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino's zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

Massa neutrino’s voor eerste keer gemeten – met telescoop

5 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 11 februari 2014

Voor het eerst is er nu een realistische waarde vastgesteld voor de massa van een neutrino. Niet in een deeltjesdetector maar door astronomische waarnemingen door de Planck radioastronomische satelliet.

Erg populair zijn ze niet onder natuurkundigen – de spookachtige neutrino’s, die alleen door hun zwakke wisselwerking en zwaartekracht zijn te meten. Zelfs lichtjaren dik lood – ter vergelijking: de doorsnede van de aarde is plm 0,1 lichtseconde – kan neutrino’s slechts voor enkele tientallen procenten opvangen. Tot overmaat van ramp kunnen neutrino’s oscilleren tussen drie vormen – elektron-neutrino, muon-neutrino en tauon-neutrino, die zich verschillend gedragen bij zwakke-kernkracht interacties. Een detector die elektronneutrino’s kan detecteren, is dus waardeloos voor het detecteren van neutrino’s in de muon- of tauon-staat. Wel bewijzen deze oscillaties dat neutrino’s massa hebben en komen er steeds meer aanwijzingen dat neutrino’s een veel belangrijker rol in de evolutie van de kosmos spelen dan tot nu toe gedacht.

Het raadsel van de ontbrekende superclusters
Ongeveer 100.000 jaar na de Big Bang was de temperatuur zo sterk gedaald dat materie en antimaterie elkaar vernietigden en de materiedeeltjes die we nu kennen overbleven. Bij deze vernietiging kwam een zee van zeer energierijke, dus kortgolvige, fotonen vrij, die we nu waar kunnen nemen als (door de uitrekking van het heelal langgolvig geworden) radiostraling: de kosmische achtergrondstraling.

Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino's zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA
Deze supercluster toont mooi het effect van zwaartekrachtslenzen. Zonder neutrino’s zouden er veel meer superclusters zijn geweest, aldus de berekeningen van twee Britse astronomen. bron: NASA

We kennen de sterkte en samenstelling van de kosmische achtergrondstraling precies. Hieruit kunnen we afleiden hoeveel massa het heelal moet hebben: immers: elk foton is ontstaan uit een materie- en antimateriedeeltje die elkaar vernietigden en we kennen vrij precies de mate waarin dat is gebeurd. Nu is er een probleem. Er moet, volgens de bekende hoeveelheid fotonen in de achtergrondstraling, veel meer massa zijn dan uit de aanwezige hoeveelheid galactische superclusters, de grootste structuren in het heelal, blijkt. Die massa moet zich ergens anders in schuilhouden.

Neutrino’s als de daders
Een duidelijke kandidaat zijn uiteraard neutrino’s. We weten nu, sinds 2013, dat ze massa hebben. Zouden neutrino’s, die zoals bekend overal ongehinderd doorheen vliegen, met hun nietige massa de vorming van superclusters gehinderd hebben?

Dr Adam Moss van de faculteit natuurkunde en astronomie van de universiteit van Nottingham en zijn collega Richard Batteye van de universiteit van Manchester, Engeland, denken van wel. Volgens hen ligt de massa van de elektron- muon- en tauon- staat van het neutrino bij elkaar opgeteld rond de 0,320 +/- 0,081  elektronvolt. Ter vergelijking: een elektron, tot nu toe het lichtst bekende deeltje met massa, is 510 999 eV, meer dan 1,5 miljoen maal zoveel dus. Alleen deze massa maakt neutrino’s zwaar genoeg om de clustervorming te verstoren en te verklaren waarom het heelal er zo uitziet als het nu doet.

Steriele neutrino’s
Een tweede optie is dat er ook zogeheten steriele neutrino’s bestaan. Dit is een type neutrino, dat ook niet gevoelig is voor de zwakke kernkracht en dus alleen door onverklaarbaar massaverlies, of zwaartekrachteffecten aangetoond kan worden. In dit laatste geval zijn, aldus de berekeningen van het tweetal, neutrino’s zelfs zwaarder: âˆ‘mν=0.06  eV, effectieve steriele neutrinomassa =(0.450±0.124)  eV and Î”Neff=0.45±0.23.

Bron

Richard A. Battye, Adam Moss, Evidence for Massive Neutrinos from Cosmic Microwave Background and Lensing Observations.”  Phys. Rev. Lett. 112, 051303 (2014)

De aarde was gedurende miljarden jaren niet groenig, maar meer paars getint.

‘Paarse planeet bevat buitenaards leven’

9 reacties / Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 13 december 2013

Exobiologen hebben een eenvoudige manier gevonden om buitenaards leven op te sporen. Vroege levensvormen hebben namelijk bijna zonder uitzondering een paarse kleur, stellen de onderzoekers. Kan de James Webb telescoop nu de eerste planeet met leven vinden?

Korte groene onderbreking van het paarse bestaan van de aarde
Gedurende het grootste deel van het bestaan van de aarde, zag onze planeet er vrij eentonig uit. Vlak na het ontstaan groeide de aarde diep rood, waarna zich een korst, een atmosfeer en oceanen vormden. Het Late Heavy Bombardment, ongeveer 3,8 miljard jaar geleden, schiep de kernen, de kratons, waaruit later de continenten zouden ontstaan.

De aarde was gedurende miljarden jaren niet groenig, maar meer paars getint.
De aarde was gedurende miljarden jaren niet groenig, maar meer paars getint.

Gedurende meer dan 3 miljard jaar kwamen er alleen eencelligen op aarde voor. Onder de oudste organismen horen de cyanobacteriën, doorgaans paarsgekleurde eencelligen die gedurende deze periode het land overdekten met een kleurig bacterietapijt. De aarde had, bekeken vanaf de ruimte, in die tijd waarschijnlijk een paarsachtige gloed. Pas na de kolonisatie van het land door groene planten, in het Ordovicium (450 miljoen jaar geleden), veranderde dat. Meer dan 90% van het bestaan van de aarde wordt de aarde dus meer paarsgetint dan groen. Ook als door de opwarming van de zon de aarde steeds meer een woestijnplaneet zal worden, zullen de taaie cyanobacteriën waarschijnlijk de laatste soorten zijn die het loodje leggen. Met andere woorden, de paarse gloed van cyanobacteriën, niet het groen van ruisende wouden, is het meest iconisch voor de aarde vanaf de ruimte.

Paars als levensteken
Het ligt in de lijn der verwachting dat dit ook op andere planeten met leven zo zou zijn. Er is bij ons weten geen mineraal dat massaal voorkomt en een paarse tint heeft. met andere woorden: als wij het leven van een buitenaardse planeet willen opsporen, zou het wel eens verstandig kunnen zijn om op de kleur paars te letten. De nieuwe ruimtetelescoop James Webb is in staat licht van individuele exoplaneten te analyseren. De auteurs stellen voor om de exoplaneten, die door de satelliet Kepler zijn gevonden en zich in de bewoonbare zone bevinden, met de James Webb telescoop te onderzoeken. Wie weet vinden we zo een tweelingzusje van de aardse biosfeer.

Bron:
Esther Sanromá et al., Characterizing the purple Earth: Modelling the globally-integrated spectral variability of the Archean Earth, Arxiv.org (2013)

Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA

‘Andromedastelsel ramde tien miljard jaar geleden in Melkweg’

29 reacties / Wetenschap / Door / 6 juli 2013

Astronomen zijn het er over eens dat over enkele miljarden jaren het Andromedastelsel de Melkweg zal raken. Volgens een groep Europese astronomen zal dat niet de eerste keer zijn. Wel veronderstelt hun theoretische model dat Einstein er over zeer grote afstanden naast zit…

MOND
Modified Newtonian Dynamics (MOND), waar de onderzoekers gebruik van maakten, is door de Israelische kosmoloog Mordechai Milgrom ontwikkeld. MOND verondertelt dat op zeer grote afstanden zwaartekracht zoals we die kennen zich anders gedraagt dan door Newtons en Einsteins zwaartekrachtwetten wordt beschreven. Het gevolg is dat er geen donkere materie meer nodig is om te verklaren waarom sterren die ver van het centrum van een sterrenstelsel afstaan, veel sneller rond het centrum bewegen dan ze volgens de klassieke theorie mogen doen.

In het kort: de bekende vergelijking zwaartekracht=massa maal versnelling (F = m.a) wordt: F = m/μ(a/a0), waarbij a0  op aarde onwaarneembaar klein is: a0 ≈ 10−10 m/s2. Morrelen aan de bewegingsvergelijkingen van Newton en Einstein gaat niet ongestraft en het gevolg is dan ook dat fundamentele natuurkundige principes zoals behoud van impuls niet meer kloppen.

Op dit moment is er (door Milgrom en landgenoot Jakob Bekenstein, beter bekend van zijn werk aan de temperatuur van zwarte gaten) maar een werkende uitweg gevonden: AQUAL, een als lagrangiaan uitgedrukte versie van MOND. Een lagrangiaan is een erg handige wiskundig gereedschap. Deze uitdrukking van het dynamische gedrag van een systeem maakt rekenen aan complexe systemen als bijvoorbeeld een slinger aan een slinger veel eenvoudiger (of liever gezegd: praktisch uitvoerbaar). Met een lagrangiaan kan je namelijk zelf je coordinatenstelsel kiezen, zelfs een ingewikkeld bewegend coordinatenstelsel.

Botsing in het verre verleden
De Lokale Groep, onze familie van 36 sterrenstelsels, kent twee grote sterrenstelsels: onze Melkweg en de iets grotere Andromedanevel op ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar afstand. Het is al bekend dat over plm. 3,75 miljard jaar beide sterrenstelsels gaan botsen.  Uit nieuw onderzoek van een groep Europese astronomen blijkt nu echter dat de botsing al eerder plaats heeft gevonden, nl. plm. 10 miljard jaar geleden. Hierbij gaan ze uit van de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND, die geen donkere materie nodig heeft om het gedrag van melkwegstelsels te verklaren.

Zowel de Melkweg als Andromeda worden omringd door meerdere kleine dwergstelsels. Volgens de groep kan de eerdere botsing verklaren hoe de dwergstelsels zich hebben gevormd: bij het passeren werden grote stukken van de spiraalarmen van beide stelsels afgerukt. Hieruit vormden zich dan de dwergstelsels.

Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA
Botsende spiraalstelsels. Bron: NASA

Lees ook
Bestaat donkere materie wel?
Gedrag melkwegstelsels niet te verklaren met donkere materie

Bron
Hongsheng Zhao et al., Local Group timing in Milgromian dynamics. A past Milky Way-Andromeda encounter at z>0.8, ArXiv preprint server, 2013

Zonsondergangen op planeten rond Gliese 667C zijn waarschijnlijk erg spectaculair. Bron: NASA

Drie ‘bewoonbare’ planeten gevonden rond dezelfde ster

7 reacties / Ideeën, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 26 juni 2013

Ons zonnestelsel kent een, volgens sommigen twee planeten in de bewoonbare zone: de aarde en, misschien, Mars. Stel dat de aarde buurplaneten had gehad met intelligent leven? Gliese 667c bewijst dat het mogelijk is.

Zonsondergangen op planeten rond Gliese 667C zijn waarschijnlijk erg spectaculair. Bron: NASA
Zonsondergangen op planeten rond Gliese 667C zijn waarschijnlijk erg spectaculair. Bron: NASA

Drie levensvatbare planeten
Op ongeveer 22 lichtjaar afstand ligt de rode M-dwergster Gliese 667c, die deel uitmaakt van een groep van drie sterren. Planeetonderzoekers ontdekten al eerder drie planeten om deze ster, waarvan een in de levensvatbare zone. Uit nieuwe waarnemingen en berekeningen blijkt nu dat er in totaal zeven planeten rond de ster draaien, waarvan maar liefst drie in de bewoonbare zone, de zone rond een ster waarbinnen vloeibaar water op planeetoppervlakken kan voorkomen.

Spectaculair uitzicht
Het uitzicht vanaf een van de planeten zal met de nabije dubbelsterren spectaculair zijn. Ook zal dit zonnestelsel een stuk spannender zijn dan dat van ons. Wij mogen hier al in onze handen knijpen als we sporen van eencellig leven op Mars ontdekken, maar het planetenstelsel rond Gliese 667 C kent maar liefst drie planeten in de bewoonbare zone. Dat betekent dat het heel goed mogelijk is dat op alle drie van deze planeten complex leven voorkomt. Als een van de drie planeten inderdaad intelligent leven voort heeft gebracht, zullen ruimtevaarders van dit buitenaardse ras twee buitenwereldse ecosystemen kunnen ontdekken.

Woeste monsters?
Hier op aarde kennen we al de nodige merkwaardige schepsels, maar een buitenaardse oerwoudplaneet, een Duin-achtige woestijnplaneet, een oceaanplaneet, een superaarde met verpletterende zwaartekracht en een atmosfeer als soep of wellicht een planeet in de greep van een ijstijd zullen een vruchtbare omgeving vormen voor unieke levensvormen die we ons mogelijk niet voor kunnen stellen. Kortom: de spannende ruimtevaartverhalen van begin vorige eeuw over avonturen in de oerwouden van Venus en de woestijnen van Mars, hebben misschien wel hun pendant op deze planeet…

Bron

Guillem Anguada-Escule et al., A planetary system around the nearby M dwarf GJ 667C with at least one super-Earth in its habitable zone, Astronomy and astrophysics (2013)

De halo met donkere materie die de Melkweg zou omringen. Bron: CERN

Spookmelkweg ontdekt?

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 15 april 2013

Wat als donkere-materiedeeltjes een even complexe wereld als de zichtbare materie vormen, compleet met donkere-materie atomen? Onverklaarbare meetresultaten waarbij een overschot aan positronen werd aangetroffen in kosmische straling lijken op iets dergelijks te wijzen. Heeft de Californische astronoom James Bullock gelijk en bestaat er een ‘donkere sector’? Alhoewel deze kan verklaren waarom we geen donkere materie waarnemen op aarde, zou dit betekenen dat donkere materie heel anders is dan we ons tot nu toe hebben voorgesteld.

Verborgen massa
Sterrenstelsels en clusters gedragen zich anders dan op grond van de aanwezige zichtbare materie, zoals sterren, gas- en stofwolken, kan worden verwacht. Er lijkt vijf keer zoveel massa te zijn als verwacht. Deze ‘donkere materie’ lijkt echter helemaal niet op standaard materie te reageren, behalve dan door zwaartekracht. Er is daarom nog steeds niet definitief donkere materie aangetoond, anders dan door de zwaartekrachtswerking. Volgens de populairste modellen bestaat donkere materie uit zware deeltjes, WIMP’s, die alleen met elkaar wisselwerken. In dat laatste geval ontstaan elektronen en positronen, die we waar kunnen nemen. Dit zou de metingen van de Alpha Magnetic Spectrometer, aan boord van het internationale ruimtestation ISS,  kunnen verklaren. Bij deze metingen werd een groter dan voorspeld aantal positronen aangetroffen. Wel moeten de elektronen en positronen dan inderdaad de voorspelde energie hebben.

De halo met donkere materie die de Melkweg zou omringen. Bron: CERN
De halo met donkere materie die de Melkweg zou omringen. Bron: CERN

Verborgen kracht?
Een tweede probleem is dat er veel meer positronen zijn dan de standaard modellen met WIMP’s kunnen verklaren. Klawrblijkelijk botsen WIMP’s, als ze bestaan, veel vaker met elkaar dan de populairste WIMP-modellen voorspellen. Wat kan hiervan de oorzaak zijn? Een onbekende natuurkracht, veronderstelt Neal Weiner of New York University met zijn collega’s. Deze zou alleen op WIMP’s inwerken en zo de kans op botsingen veel groter maken. Wel moet deze kracht in staat zijn om te verklaren hoe zich sterrenstelsels en clusters vormen. Dit lukt al vrij aardig met de klassieke theorieën.

Twee soorten WIMP’s?
Lisa Randall van Harvard University en haar collega’s bedsachten een andere oplossing. Volgens haar zijn er meer dan één soort WIMP, 85% van de klassieke soort die nauwelijks op zichzelf reageert en 15 procent van een andere soort, die dat wel doet en onderhevig is aan de geheimzinnige kracht. Op die manier blijven de moeilijkheden met de nieuwe ‘donkere kracht’ beperkt terwijl de ‘boost factor’ toch behouden blijft. Wel moet er dan een tweede deeltje worden geïntroduceerd, een soort  ‘donker foton’.

‘Onzichtbare Melkweg’
Klopt haar model, dan zouden de gevolgen interessant zijn. Deeltjes die wél op elkaar reageren gedragenzich namelijk ongeveer zo als zichtbare materie. Ze vormen een soort atoomstructuren. Door voortdurende wisselwerkingen hopen deze zich net als zichtbare materie uiteindelijk op in een schijf, niet in een bol zoals deeltjes die alleen door de zwaartekracht worden beïnvloed. Er zou dan een tweelingzus van de Melkweg, een schaduwmelkweg, bestaan die met de zichtbare materie meedraait of onder een bepaalde hoek met deze beweegt. Het hoeft niet bij deze twee soorten te blijven, er zou net als bij zichtbare materie een hele ‘dierentuin’ van onzichtbare deeljes kunnen bestaan. Er is echter één probleem: er zijn, op wat dubbelzinnige metingen uit Italië na, geen sporen van dit soort deeltjes aangetroffen. Aan de andere kant blijken er duidelijke sporen te zijn van een onzichtbare invloed, zie bovenstaande video. De ontdekkers zijn nu op zoek naar soortgelijke botsingen.

Sporen van de onzichtbare dubbelganger
Als Randall gelijk heeft en er inderdaad een donkere onzichtbare schijf bestaat, dan zou dit merkbaar moeten zijn in de bewegingen van sterren.
De Gaia satelliet, met een lanceerdatum in oktober 2013, zou deze kunnen waarnemen. Omdat de schijf ongeveer even snel rondtolt als de Melkweg, zouden af en toe toch WIMPs protonen in de kern van de zon kunnen treffen, waarbij neutrino’s vrijkomen. Probleem: deze neutrino’s zijn niet waargenomen.

Bron
New Scientist

De AMS bevindt zich buiten het ISS, (ronde module links) zodat het ongestoord kosmische straling kan waarnemen. Bron: NASA

Mogelijke sporen van donkere materie ontdekt in ISS

19 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 4 april 2013

In de Alpha Magnetic Spectrometer, een 2 miljard dollar kostende detector van kosmische deeltjes aan boord van het internationale ruimtestation ISS, is een zeer hoog aantal positronen waargenomen. Volgens veel donkere-materieonderzoekers een sterke aanwijzing dat donkere materie inderdaad bestaat. Toch houden ze nog een slag om de arm.

Wat is donkere materie?
Volgens de op dit moment populaire kosmologische modellen moet het bestaan: donkere materie. Donkere materie, die volgens die modellen viervijfde van alle massa in het heelal uitmaakt, is alleen waar te nemen door de zwaartekrachtseffecten en -afhankelijk van het type deeltje dat verantwoordelijk is voor donkere materie- bepaalde vervalproducten. Het probleem met donkere materie is dat het uiterst lastig aan is te tonen. De deeltjes die verantwoordelijk zijn voor donkere materie – of het nu gaat om axionen, steriele neutrino’s of supersymmetrische deeltjes, om maar enkele kandidaten te noemen, alle hebben ze met elkaar gemeen dat ze niet of nauwelijks in staat zijn om met waarneembare materie in wisselwerking te treden.

Onverklaarbare overvloed aan positronen
De AMS vangt geladen kosmische deeltjes op met behulp van een krachtige magneet. Magnetische velden buigen bewegende elektrisch geladen deeltjes af en maken het zo mogelijk de snelheid en lading van de deeltjes vast te stellen. Tussen de lancering in 2011 en voorjaar 2013, samen 18 maanden, heeft het apparaat 6 800 000 elektronen en meer dan 400 000 positronen, de antideeltjes van elektronen, met hoge energie waargenomen in de kosmische straling. Deze hoeveelheid positronen is veel en veel hoger dan wat astrofysici hadden verwacht – antimaterie is erg zeldzaam omdat deze onmiddellijk wordt vernietigd in contact met materie, – en wijst erop dat we iets heel groots op het spoor zijn.

De AMS bevindt zich buiten het ISS, (ronde module links) zodat het ongestoord kosmische straling kan waarnemen. Bron: NASA
De AMS bevindt zich buiten het ISS, (ronde module links) zodat het ongestoord kosmische straling kan waarnemen. Bron: NASA

Pulsars of antimaterie?
Positronen komen gewoonlijk vrij bij zeer energierijke processen. Om uit het niets een elektron-positronpaar te scheppen, moet er een energie van 1,022 MeV worden toegevoerd – de energie die een elektron zou krijgen als deze door 1 022 000 volt potentiaalverschil loopt. Deze voltages komen bij onweer voor en er ontstaat daardoor ook enige antimaterie bij bliksemontladingen.

Op dit moment zijn er twee kandidaatverschijnselen die deze overmaat kunnen verklaren: pulsars en de annihilatie van donkere materiedeeltjes. Pulsars zijn zeer snel, tot honderden malen per seconde, rondtollende neutronensterren met een extreem krachtig magnetisch veld. Het snel rondtollende magnetische veld zweept elektronen sterk op, waardoor veel energie vrijkomt (we nemen deze waar als röntgenstraling). In principe is dit voldoende energie om positronen te laten ontstaan.

Een tweede mogelijkheid is dat bepaalde donkere-materiedeeltjes elkaar ontmoeten en annihileren. Dat kan, als het deeltje een Majorana-type deeltje is, m.a.w. zijn eigen antideeltje is. Hierbij komt zoveel energie vrij, dat er uit deze energie elektron-positron paren kunnen ontstaan.

De hoeveelheid gemeten positronen door AMS bij hoge energie is veel en veel groter dan verwacht (grijze vlak). Bron: PRL
De hoeveelheid gemeten positronen door AMS bij hoge energie is veel en veel groter dan verwacht (grijze vlak). Bron: PRL

Hoe weten we wat de werkelijke bron is van deze positronen?
De meer dan 400.000 positronen hebben een bepaalde snelheidsverdeling, m.a.w. ze vormen een spectrum. Elke bron kent zijn eigen type spectrum. Als de positronen afkomstig zijn van pulsars, dan zal hun snelheid nooit de maximale zwiep die een pulsar mee kan geven, minus de vormingsenergie, overschrijden. Ook zijn de gemiddelde pulsarsnelheden van de pulsars in ons melkwegstelsel nauwkeurig bekend, waardoor astrofysici precies kunnen voorspellen hoeveel energie positronen in pulsars gemiddeld mee kunnen krijgen.
Zijn de positronen afkomstig van donkere materie, dan is hun snelheidsverdeling afhankelijk van de massa van de donkere-materiedeeltjes die elkaar vernietigen. Van diverse kandidaat-donkere-materie deeltjes is deze massa in grote lijnen bekend; het spectrum kan dus uitsluitsel geven om welk type donkere-materiedeeltje het gaat.

Aan de zeshonderd natuurkundigen onder leiding van Nobelprijswinnaar Samuel Ting, die de data van het apparaat analyseren, is nu de taak om uit te vinden welke bron verantwoordelijk is.  Dit kan ook een heel andere bron zijn waar we nu nog helemaal niet aan denken. Dit zou niet de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap. Zo zijn er, naar het zich nu laat aanzien, enorme elektrische stromen op kosmische schaal actief. Ting denkt in de tweede helft van 2013 meer te kunnen zeggen.

Bron:
Viewpoint: Positrons galore, Physical Review Letters (2013)
M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), “First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV,” Phys. Rev. Lett.110, 141102 (2013).

De vijf Lagrangepunten. Bron: NASA

Reuzentrojaan ontdekt bij Uranus

3 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 31 maart 2013

In een van de Lagrangepunten van Uranus, het vóór de planeet liggende punt L4, houdt zich een mysterieus object schuil met een doorsnede van rond de zestig kilometer. Volgens de ontdekkers bewijst hun vondst dat zich op onverwachte plaatsen exoplaneten kunnen bevinden.

De vijf Lagrangepunten. Bron: NASA
De vijf Lagrangepunten. Bron: NASA

Lagrangepunten
In elk systeem met meerdere hemellichamen, zoals het zonnestelsel, bevinden zich punten waar de zwaartekracht van beide hemellichamen (bijvoorbeeld zon en Uranus) elkaar opheft. Op enkele van deze punten is een stabiele positie mogelijk. Dit geldt voor de punten L4 en L5, die op de omloopbaan van de planeet liggen. Objecten kunnen rond deze onzichtbare punten wentelen, alsof zich hier werkelijk een massa bevindt. De pseudozwaartekracht is overigens vrij zwak.

Trojanen
Punten L4 en L5 vormen hierdoor een stabiele plaats, waar zich het nodige ruimtepuin ophoopt. Bij een kleine planeet als de aarde is dit alleen stof en de 300 meter grote asteroïde 2010 TK7 (hoewel er meer kunnen worden ontdekt in de toekomst), maar bij grote gasreuzen als Jupiter en Neptunus bevinden zich enorme hoeveelheden Trojanen, de astronomische term voor ruimtebrokken rond de L4 en L5 punten.

Mike Alexandersen van de University of British Columbia in Vancouver en zijn collega’s ontdekten de 60 kilometer doorsnede Trojaan 2011 QF99, op een observatorium op Hawaii. Deze Trojaan bevindt zich in het L4 punt van de zon en Uranus. Volgens de berekeningen van de ontdekkers zal de Trojaan hier rond de 70 000 jaar blijven, voor deze zich aansluit bij de Centauren, een groep asteroïden tussen Jupiter en Neptunus.

Exoplaneten in Lagrangepunten?
Tot nu toe werd gedacht dat de enorme zwaartekracht van Jupiter het bestaan van grote Trojanen bij Uranus onmogelijk maakte, maar dit blijkt niet te kloppen, zo blijkt uit deze nieuwe ontdekking. Deze ontdekking kan ook gevolgen hebben voor de zoektocht naar exoplaneten. Stel, er wordt een gasreus ontdekt die zich in de bewoonbare zone van een planetenstelsel bevindt. Dan is het, blijkt uit deze ontdekking, wel degelijk mogelijk dat er zich een aardachtige exoplaneet in een van de Lagrangepunten van deze gasreus bevindt. Dat zou het aantal mogelijke plaatsen voor bewoonbare exoplaneten behoorlijk vergroten.

Bron:
Mike Andersersen et al., The first known Uranian Trojan and the frequency of temporary giant-planet co-orbitals, ArXiv.org (2013)

Artist impression van de ontdekte zwerfplaneet. Let op, dit is in infrarood. In zichtbaar licht zou de planeet een zeer zwakke dieprode kleur hebben.

Eerste zwerfplaneet ooit ontdekt

11 reacties / Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 14 november 2012

Een planeet zonder een ster waar deze omheen draait. Volgens astrofysische theorieën moet het er in de Melkweg van wemelen, maar ze vinden is uiterst lastig, omdat zwerfplaneten nauwelijks tot geen licht uitzenden. Voor het eerst is er nu een zwerfplaneet gevonden, op ongeveer 100 lichtjaar van de aarde. De zwerfplaneet werd ontdekt door haar warmtestraling.

Artist impression van de ontdekte zwerfplaneet. Let op, dit is in infrarood. In zichtbaar licht zou de planeet een zeer zwakke dieprode kleur hebben.
Artist impression van de ontdekte zwerfplaneet. Let op, dit is in infrarood. In zichtbaar licht zou de planeet een zeer zwakke dieprode kleur hebben.

De zwerfplaneet CFBDSIR2149, een gasreus enkele malen zwaarder dan Jupiter, kon ontdekt worden omdat deze nog vrij heet is (een oppervlaktetemperatuur van plusminus 300 kelvin, dus rond de 27 graden Celsius). Uit de veel hetere diepten ontsnapt weliswaar enige zeer zwakke dofrode straling, maar de gasreus is het helderst in het infrarood. De gasreus maakt deel uit van een zwerm jonge sterren, Doradus AB Moving Group, met een ouderdom van enkele honderden miljoenen jaren.

Naast de bevestiging van het bestaan van zwerfplaneten, op zich al een interessante ontdekking, kan deze gasreus ook zeer waardevolle astrofysische informatie leveren. We weten nu ongeveer wat de temperatuur is van een gasreus die niet wordt verstoord door een naburige ster.

Loading player…

De temperaturen vlak aan de oppervlakte van deze gasreus zijn in principe voldoende voor het onderhouden van eencellig leven. Hoewel er aardse bacteriën bekend zijn die alleen in de lucht zijn aangetroffen, is niet bekend of zij hun hele levenscyclus in de lucht doorbrengen.  Het is niet uit te sluiten dat een vorm van eencellig leven of wellicht zelfs meercellige levensvormen in de atmosfeer van deze gasreus zouden kunnen leven. Wel is de hoeveelheid beschikbare vrije energie uiteraard erg laag: alleen de warmtestraling in de kern. Ter vergelijking: op aarde wordt slechts twee procent van alle energie geleverd door de aarde zelf. Wellicht is een vorm van zeer trage chemische omzetting van stoffen die uit thermodynamisch evenwicht zijn voor bacteriën mogelijk.

Lees ook
‘Zwerfplaneten komen vaker voor dan aan sterren gebonden planeten’
‘Honderdduizend zwerfplaneten per ster in melkweg’

Bronnen
CFBDSIR2149-0403: a 4-7 Jupiter-mass free-floating planet in the young moving group AB Doradus ?, ESO, 2012

Artist impression van de ontdekte exoplaneet bij Alfa Centauri. Bron: ESO

Aardachtige planeet ontdekt op steenworp afstand van de aarde

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 17 oktober 2012

Bij de ster Alfa Centauri, de ster die het dichtste bij de zon staat, is een planeet ongeveer zo groot als de aarde ontdekt. Tot nog toe werd dit niet voor mogelijk gehouden. Groot nieuws, want nu kunnen we op weg naar een andere wereld.

Artist impression van de ontdekte exoplaneet bij Alfa Centauri. Bron: ESO
Artist impression van de ontdekte exoplaneet bij Alfa Centauri. Bron: ESO

Lichtste exoplaneet ooit bij zonachtige ster
Europese astronomen die op de sterrenwacht ESO in Chili werken, hebben een planeet met omgeveer de massa van de aarde ontdekt in het Alfa Centauri driedubbelsterstelsel. Dit stelsel ligt het dichtste bij de aarde. Het is ook de lichtste exoplaneet ooit ontdekt bij een zonachtige ster. De planeet werd ontdekt met behulp van HARPS, een instrument verbonden aan de 3,6 meter telescoop van het La Silla Observatorium van ESO in Chili. La Silla ligt op 2400 meter hoogte en grenst aan de kurkdroge Atacama woestijn, wat ideale waarnemingscondities oplevert.

Alfa Centauri is in Nederland wat minder bekend omdat de ster diep aan de zuidelijke sterrenhemel staat (en wij het sterstelsel dus niet waar kunnen nemen), maar het is na Sirius A en Canopus de helderste ster aan onze hemel. De reden: Alfa Centauri staat op slechts 4,2 lichtjaar afstand en is daarmee één van de weinige sterren die wij met fusie- of antimaterieaandrijving (wat de bestaande natuurkunde toelaat) in een menselijk leven zouden kunnen bereiken. Het sterstelsel bestaat uit drie sterren: de zonachtige sterren Alfa Centauri A en B en een verder liggende rode dwerg, die op dit moment van de drie het dichtste bij de aarde staat en daarom Proxima Centauri is gedoopt.

De Europeanen ontdekten de planeet doordat de zwaartekracht van de planeet Alfa Centauri B licht doet schommelen. De aarde doet dat ook met de zon, het barycentrum van het aarde-zon systeem ligt rond de 450 km van het zwaartepunt van de zon. Het barycentrum van de zon en Jupiter ligt net boven het zonsoppervlak en is hiermee veel makkelijker waarneembaar. De reden dat de meeste ontdekte exoplaneten zo zwaar zijn als Jupiter. Dat maakt de prestatie van de astronomen formidabel – ze stelden de ‘schommel’ vast door de rood- en blauwverschuiving te meten. In dit geval was de gemeten ‘schommel’ slechts 51 centimeter per seconde, ongeveer de snelheid van een kruipende baby of slinger van een grote staartklok. Nog nooit eerder is een zo grote precisie bereikt.

Alfa Centauri B is iets kleiner en minder helder dan de zon. De neiuw-ontdekte planeet is echter veelheter dan de aarde, omdat de planeet op slechts 6 miljoen km van het centrum van Alfa Centauri B staat. Ter vergelijking: Mercurius, de planeet die het dichtste bij de zon staat en waar overdag lood smelt, staat op 58 miljoen km. Alleen de nachtzijde van de planeet – gezien de korte afstand tot de ster zal de planeet waarschijnlijk altijd dezelfde kant naar zijn ster gewend houden – komt dus in aanmerking voor bewoning. Om precies te zijn: de smalle strook waar net een glimp van Alfa Centauri B boven de horizon staat, want daar zijn zonnecollectoren te plaatsen. Uiteraard is met fusiereactoren of een andere onafhaneklijke energiebron ook de rest bewoonbaar te maken. Gezien de hoge zwaartekracht en de afwezige rotatie zullen vermoedelijk de nodige vluchtige componenten en water aanwezig zijn, die door kolonisten gebruikt kunnen worden. Helemaal donker zal het niet zijn op de nachtzijde, omdat Alfa Centauri A op 11 tot 35 maal de  afstand aarde-zon staat en dus een helderheid van 0,1-1% van die van de zon zal hebben.

Volgens het team is de ontdekking ook om andere redenen significant. De aanwezigheid van dit type exoplaneten wijst erop dat er vermoedelijk meer exoplaneten zijn. Andere resultaten van HARPS en de sateliet Kepler laten duidelijk zien dat de meeste exoplaneten met lage massa zich in dergelijke systemen bevinden.

Literatuur:
Xavier Dumusque, Francesco Pepe, Christophe Lovis, Damien Ségransan, Johannes Sahlmann, Willy Benz, François Bouchy, Michel Mayor, Didier Queloz, Nuno Santos and Stéphane Udry, An Earth mass planet orbiting Alpha Centauri B, ESO/Nature, 2012