kosmologie

Neutrino's zijn niet alleen nauwelijks waar te nemen, ze veranderen ook voortdurend in andere varianten.

Laatste ontbrekende neutrino-mengconstante nu bekend

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 11 maart 2012

Neutrino’s blijken veel sneller van de ene soort in de andere te kunnen veranderen dan tot nu toe verwacht. Dit betekent dat natuurkundigen nu een extra breekijzer in handen hebben om enkele hardnekkige kosmische raadsels op te lossen. Waarom er materie in het heelal is in plaats van alleen maar straling, bijvoorbeeld.

Neutrino's zijn niet alleen nauwelijks waar te nemen, ze veranderen ook voortdurend in andere varianten.
Neutrino's zijn niet alleen nauwelijks waar te nemen, ze veranderen ook voortdurend in andere varianten.

Eindelijk ontbrekende mengvariabele Θ13 bekend
Neutrino’s en antineutrino’s (als antineutrino’s bestaan, althans) komen elk in drie zogeheten smaken voor: elektron, muon en tauon-neutrino. Als deze deeltjes door het heelal vliegen, veranderen ze periodiek van de ene soort in de andere.

Deze veranderingen worden door drie parameters bepaald (‘mixing angles’): Θ12, Θ23 en Θ13. Tot voor kort waren alleen twee van de drie mixing angles gemeten: Θ12 en Î˜23. Toen, in juni 2011, ontdekte het T2K experiment in Japan muon-neutrino’s die veranderen in elektron-neutrino’s, waardoor enkele voorlopige schattingen voor Θ13 beschikbaar kwamen. Echter: hierbij moest ook rekening worden gehouden met de andere ‘mixing angles’, waardoor er geen zuivere meting van Θ13 kon worden uitgevoerd. Nu hebben onderzoekers van het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, in Zuid-China, wel een directe meting gedaan.

In het Daya Bay experiment produceren zes kernreactoren electron antineutrino’s. Twee groepen detectoren worden gebruikt: één groep enkele honderden meters van de reactoren, de tweede groep op 2 km afstand. De verder weg gelegen detectoren zien minder elektron antineutrino’s dan de dichterbij gelegen detectoren, omdat ze tijdens de reis voor een deel veranderen in andere neutrino-smaken die niet door de detectoren kunnen worden waargenomen. Het verschil tussen deze twee metingen hangt vooral af van de tot nu toe ongrijpbare Î˜13.

Ontbrekende mengvariabele blijkt veel groter dan gedacht
Eindelijk is deze nu redelijk nauwkeurig bekend, met verrassende uitkomsten. Θ13 blijkt namelijk veel groter te zijn dan de neutrinojagers hadden verwacht. Grote opwinding in het neutrinowereldje. Want dankzij de grote Θ13 kan nu experimenteel de vraag worden beantwoord of neutrino’s en antineutrino’s zich verschillend gedragen. Zo niet, dan is het neutrino net als het foton zijn eigen antideeltje. In vaktaal: een Majorana-deeltje. We weten dat het heelal in zijn begindagen werkelijk vergeven was van neutrino’s (en nog steeds is).

Nu kunnen eindelijk vragen beantwoord worden als: waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal. Neutrino’s zouden hierin wel eens een sleutelrol hebben gespeeld. Op dit moment worden over al ter wereld daarom nieuwe experimenten bedacht om nog meer geheimen aan dit raadselachtige deeltje te ontfutselen. Deze ontdekking wordt in het neutrinowereldje dan ook met gejuich begroet.

Bron:
Jun Cao et al., Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay, ArXiv.org (2012)

Artist impression van een oscillerend neutrino. Bron: Los Alamos National Laboratory

Steeds meer aanwijzingen voor bestaan steriele neutrino’s

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 26 februari 2012

Steriele neutrino’s, zo ver van onze dagelijkse werkelijkheid verwijderd dat ze naar andere dimensies kunnen ontsnappen, lijken nu eindelijk bewijzen op te leveren. Als hun bestaan wordt bevestigd, kunnen ze donkere materie verklaren en kunnen ze wijzen op het bestaan van andere exotische deeltjes die niet in het standaardmodel van de natuurkunde passen.

Artist impression van een oscillerend neutrino. Bron: Los Alamos National Laboratory
Artist impression van een oscillerend neutrino. Bron: Los Alamos National Laboratory

Bestaan er deeltjes buiten het Standaardmodel?
Het Standaardmodel beschrijft de huidige theoretische stand van zaken in de deeltjesfysica en verklaart alle natuurkunde met uitzondering van de zwaartekracht, die het domein van de algemene relativiteitstheorie is. Het Standaardmodel beschrijft de andere drie krachten: de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht met drie (nu: twee) kwantumtheorieën. Tot nu toe is er nog geen overweldigend bewijs voor een deeltje dat niet deelneemt aan de interacties van het Standaardmodel. Wat ook logisch is, een dergelijk deeltje is immers niet waar te nemen, anders dan door de relatief zeer zwakke zwaartekracht.

Steriele neutrino’s
Steriele neutrino’s zouden ongevoelig zijn voor de drie krachten van het Standaardmodel en alleen reageren  op zwaartekracht, de enige bekende kracht die buiten het Standaardmodel ligt. Als iemand er in slaagt een dergelijk deeltje te vinden, opent hij of zij een nieuw natuurkundig rijk waarin een geheel nieuwe verzameling deeltjes op de loer ligt, bijvoorbeeld het (overigens erg gekunstelde) graviton, waarvan snaartheorie-adepten geloven dat dit de zwaartekracht overbrengt. Volgens o.a. de snaartheorie bestaan er extra dimensies en kunnen steriele neutrino’s via deze extra dimensies naar een ander heelal reizen.

Waarom geloven natuurkundigen dat steriele neutrino’s kunnen bestaan?
Om drie redenen nemen fysici het bestaan van steriele neutrino’s in overweging. Ten eerste kunnen ze dienen als een tegenspeler voor ‘normale’ neutrino’s. Alle drie bekende neutrinosoorten draaien namelijk linksom. Heel merkwaardig, want alle andere bekende deeltjes kunnen linksom of rechtsom draaien. NB: kwantumspin wijkt af van wat we in het dagelijkse leven onder draaiing verstaan – zo lijkt het deeltje van welke kant je ook meet, dezelfde richting op te draaien. Steriele neutrino’s draaien rechtsom en zorgen zo voor behoud van spin – een belangrijke kwantumregel.
Het feit dat steriele neutrino’s, net als donkere materie, alleen op zwaartekracht reageren maakt ze een ideale kandidaat om donkere materie te verklaren.

Maar hoe neem je een deeltje waar dat alleen door de zwaartekracht met de rest van het universum kan reageren? De voornaamste aanwijzingen zijn te vinden in het gedrag van neutrino’s. Hun onverwachte veranderingen van de ene soort in de andere soort (er zijn elektron- muon- en tauon-neutrino’s) doen vermoeden, denken sommige fysici, dat  ze onderweg tijdelijk in steriele neutrino’s veranderen. Steeds leken bewijzen op te doemen, die vervolgens weer in rook opgingen – zie deze tijdlijn. Het goede nieuws is dat er nu eindelijk harde aanwijzingen beginnen te komen voor het steriele neutrino en wel uit drie verschillende vakgebieden. Alle drie ontwikkelingen, die alle te maken hebben met het waarnemen van kosmische neutrino’s –  lijken in één richting te wijzen: steriele neutrino’s.

Drie aanwijzingen voor het bestaan van steriele neutrino’s: uitsmeren van materie…
Volgens de eerste lijn zorgden steriele neutrino’s voor het uitsmeren van klompen materie in het vroege heelal. Deze klompen ontstonden als kwantumfluctuaties, die onder invloed van de zwaartekracht aaneensinterden tot clusters melkwegstelsels. Het oudste licht ooit waargenomen, met de NASA-satelliet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, dateert van 380 000 jaar na de Big Bang en wijst erop dat het heelal veel minder klonterig was dan voorspeld op basis van het bestaan van slechts drie neutrinosoorten. Deze waarneming is nu bevestigd door twee telescopen op aarde. Eén verklaring hiervoor is dat er meer dan drie soorten neutrino’s bestaan. Ook standaard neutrino’s reageren nauwelijk met materie – een half lichtjaar dik loden scherm houdt de helft tegen. Hoe meer ‘vrijheidsgraden’ er zijn voor neutrino’s om te ontstaan, omdat er meer dan drie soorten bestaan, hoe meer er gaan ontstaan. Elementaire thermodynamica. Helaas zijn deze metingen nog niet statistisch betrouwbaar genoeg, dus het wachten is op de ESA-ruimtetelescoop Planck, die in 2013 de waarnemingsserie af heeft gerond.

Te kleine drukgolf…
Ook de afstanden tussen melkwegstelsels kunnen de werking van steriele neutrino’s verraden. Toen het heelal nog zeer jong was, was het te heet voor atomen om zich te vormen en was het ondoorzichtig voor elektromagnetische straling. Rondzwervende elektronen en protonen maakten korte metten met fotonen. Hierdoor zorgden vanaf de klompen naar buiten  reizende fotonen voor drukgolven. Deze drukgolven konden alleen verder reizen zolang licht en andere elektromagnetische straling nog gehinderd werd door de losse elektronen en protonen. Zodra het heelal koel genoeg was voor het ontstaan van atomen, werd het doorzichtig, zoals nu. Het gevolg: de fotonen drukten niet meer tegen de drukgolf en deze “bevroor”. Op de plek van de drukgolf, op ongeveer 500 000 lichtjaar afstand van de klomp, vormden zich melkwegstelsels. Nieuw bewijs van de Sloan Digital Sky Survey suggereert echter dat sterrenstelsels 480 000 lichtjaar van de klomp clusteren(arxiv.org/abs/1202.0092). De auteurs, Mehta et al, zeggen dat het gemeten verschil verklaard kan worden door steriele neutrino’s. Hierdoor zette het heelal sneller uit, waardoor het sneller afkoelde en de drukgolf eerder bevroor.

En ontbrekende neutrino’s
Tot slot heeft de IceCube neutrinodetector in Antarctica, die een kubieke kilometer landijs gebruikt voor neutrinometingen,  een abnormaal laag aantal muon-neutrino’s gemeten. Muon-neutrino’s worden gevormd als kosmische deeltjes in de atmosfeer inslaan. Ook dit is een aanwijzing: de missende neutrino’s zijn mogelijk steriele neutrino’s. (Physical Review D, 10.1103/physrevd.85.011302). Hoewel geen van deze drie aanwijzingen spijkerhard is, denken een aantal natuurkundigen toch dat ze het steriele neutrino op de hielen zitten.

Verklaart steriele neutrino de sneller-dan-licht neutrino’s?
Hoewel er nu de nodige twijfels gerezen zijn over de sneller-dan-licht waarneming van neutrino’s onder de berg Gran Sasso, zou als deze waarneming alsnog klopt, dit een nieuwe aanwijzing kunnen opleveren. Volgens de theorie van snaarfysicus Tom Weiler van de Amerikaanse Vanderbilt Universiteit, kunnen steriele neutrino’s namelijk sneller dan het licht reizen door af te snijden via een andere dimensie. Dit zou de vroege aankomst verklaren. Er is alleen een probleempje met deze theorie. Alle neutrino’s kwamen vroeger aan, bleek uit een vervolgexperiment. Alle neutrino’s zouden dan onderweg in steriele neutrino’s moeten zijn veranderd. Dit is veel lastiger te bereiken, aldus Weiler. Voor beroepsgoochelaars zoals snaartheoretici is het echter ongetwijfeld een eitje hier een mooie theorie van te bakken.

Bron:
New Scientist (2012)

Video: is het universum plat?

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 24 februari 2012

Het universum waarin we leven kent drie dimensies: lengte, breedte en diepte. Of toch niet? Massa doet namelijk merkwaardige dingen met ruimte en tijd, blijkt uit het werk van Einstein. Ook vragen sommige kosmologen zich af of het aantal dimensies van ons heelal wel precies drie is. Deze video gaat dieper op deze vragen in.

Video: wat was er voor de Big Bang?

18 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door / 21 februari 2012

De kosmologische theorieën van nu beginnen allen met de Big Bang: een punt van bijna oneindige dichtheid dat 13,7 miljard jaar in het verleden ligt. Adepten van de snaartheorie denken echter dat het heelal zoals we dat nu kennen het gevolg is van de botsing van twee n-branen, veeldimensionale vlakken. Ze denken ook dat er dus voor de Big Bang al tijd bestond. De BBC maakte deze mooie animatie van wat er gebeurt als twee n-branen elkaar raken. Zouden  ze gelijk hebben? Oordeel zelf…

Ondanks alle borstklopperij van de snaaradepten is er voor de snaartheorie op dit moment nog geen experimenteel bewijs gevonden. Sterker nog: er is nog geen enkel uitvoerbaar experiment dat de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie kan aantonen.

De fenomenologie van de schaarse verschijnselen die buiten het Standaardmodel of de algemene relativiteitstheorie liggen, is op dit moment nog te omstreden (ook qua experimentele betrouwbaarheid) om uitspraken te kunnen doen over de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie.

Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon

‘Neutronen kunnen naar ander universum ontsnappen’

3 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 24 januari 2012

In theorie is het mogelijk dat deeltjes van ons universum naar een ander universum reizen, aldus enkele natuurkundigen. En nog meer goed nieuws: de technologie om dit idee uit te testen is nu al beschikbaar. Hoe groot zijn de kansen dat we een bezoek kunnen brengen aan een ander heelal?

Multiversum
Veel natuurkundigen nemen aan dat ons heelal deel uit maakt van een veel uitgebreidere multidimensionale ruimte. Een fascinerend idee. Hoe zou het leven zijn in een ander heelal, waar de natuurwetten waarschijnlijk anders zijn dan hier? Het idee is niet zuiver science fiction. In feite zijn er zelfs een aantal goede argumenten om aan te nemen dat ons heelal niet het enige is. Neem bijvoorbeeld de natuurconstanten die nauwkeurig af moeten zijn gesteld om leven mogelijk te maken. Ons heelal is dan een van de weinige ‘levende’ heelallen in het multiversum.

Snaartheoretici geloven in het bestaan van een meerdimensionale ruimte, waar ons driedimensionale (plus tijddimensie) heelal in ronddobbert, in snaarjargon braanwerelden. Ons heelal is dan een 3-braan. Een van de mogelijkheden die voortvloeien uit deze (overigens omstreden, want nog niet door experimenten getoetste) theorie is dat soms deeltjes uit ons universum naar een ander universum kunnen reizen. Dat zou letterlijk het best denkbare nieuws zijn. Immers: als wij mensen kunnen ontsnappen uit dit heelal, zouden we de dood van het heelal kunnen overleven.

Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon
Volgens de snaartheorie zijn er naast ons heelal, nog vele parallelle heelallen. Bron: Wikipedia/Silver Spoon

‘Materie springt naar ander heelal’
Een aantal jaren geleden toonde Michael Sarrazin van de Belgische universiteit van Namen met een aantal anderen aan hoe materie deze sprong naar een ander heelal kon maken als er een sterk magnetisch potentieel aanwezig is. Althans: als de snaartheorie juist is. Nu gaat Sarrazin verder. Hij stelt dat het Melkwegstelsel een voldoend groot magnetisch potentieel opwekt om dit ook echt plaats te laten vinden. We bevinden ons in het Melkwegstelsel, dus als dat zo is, moeten we  in staat zijn materie op heterdaad te betrappen in een lab. Sterker nog: misschien hebben andere onderzoekers deze spookachtige gebeurtenissen al waargenomen zonder dat ze dat doorhadden.

IJskoude verdwijntruc van neutronen
De experimenten in kwestie zijn experimenten met ultrakoude neutronen: bij hogere energie treedt het effect nauwelijks op. Neutronen vormen samen met protonen atoomkernen. Zonder protonen vallen neutronen na gemiddeld iets minder dan vijftien minuten radioactief uiteen in een proton, elektron (+ elektron-antineutrino):  bèta-emissie. Alle radioactieve processen waarbij elektronen vrijkomen heten bèta-emissie; alfastraling bestaat uit heliumkernen en gammastraling uit extreem krachtige lichtdeeltjes (fotonen)). Neutronen bewegen bij zeer lage temperaturen zo langzaam, dat het mogelijk is ze te vangen in een ‘fles’ van magnetische velden, normale materie of zelfs de zwaartekracht. Deze experimenten vinden onder meer plaats in het Institut Laue Langevin in Grenoble, Frankrijk, en het St. Petersburg Institute of Nuclear Physics in Rusland, bijvoorbeeld om de bèta-emissie te bestuderen. Fysici meten hoe vaak de neutronen de wanden van de flessen raken en hoe snel de vervalsnelheid terugloopt.

Ander universum
Voor deze afname in vervalsnelheid zijn twee processen verantwoordelijk. De (bekende) snelheid waarmee neutronen uiteen vallen en de snelheid waarmee neutronen ontsnappen aan de fles. In het geval van de ideale, volmaakt afgesloten fles moet de vervalsnelheid gelijk zijn aan de bekende bèta-vervalsnelheid. De flessen zijn niet ideaal dus is de vervalsnelheid altijd groter dan de bètavervalsnelheid. Er is echter nog een derde proces denkbaar dat leidt tot het verdwijnen van neutronen, aldus Sarrazin. Het weglekken van neutronen naar een ander universum. Sarrazin en zijn groep hebben nu de meetresultaten van verschillende experimenten doorgespit om een bovenlimiet op dit proces vast te stellen. Deze ligt onder één op de miljoen. Erg vaak komt het weglekken van materie dus niet voor. Als het al voorkomt.

Een jaar neutronen vangen
De groep-Sarrazin geeft echter niet op en denkt dat de grens zelfs nog strikter gesteld kan worden. Een verandering in de zwaartekrachtspotentieel zou, stellen ze, ook de snelheid van  materieverval moeten beïnvloeden. Hun voorstel: gedurende een jaar neutronen vangen en gevangen houden, zodat de aarde tijdens het experiment één omloop rond de zon afgelegd heeft. Als een seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit een sterke aanwijzing zijn dat inderdaad neutronen geregeld een ommetje maken naar een ander heelal. Er zijn ook andere verklaringen denkbaar, interactie met donkere materie bijvoorbeeld, maar hoe dan ook: als dit seizoenseffect wordt aangetoond, zou dit betekenen dat onze bestaande natuurkunde incompleet is. En het mooie is: dit kan eenvoudig met de technieken die we nu hebben. Ik zeg: gewoon doen. Dan maar een “humanitaire” oorlog minder. Voor wat we daarmee besparen kunnen we honderden van dit soort grensverleggende experimenten doen.

Bron
Sarrazin et al., Experimental Limits On Neutron Disappearance Into Another Braneworld, ArXiv (2012)

We weten dat er veel meer donkere materie is dan normale materie. Waar het uit bestaat is echter nog een raadsel.

‘Donkere materiedeeltje extreem zwaar’

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 9 december 2011

Donkere materie, waaruit 80% van alle massa bestaat, is raadselachtiger dan ooit, met onderzoeksresultaten die elkaar lijken tegen te spreken. Uit de laatste metingen blijkt dat als donkere materie uit een onzichtbaar deeltje bestaat, dit met boven de veertig protonmassa’s zwaarder is dan een middelzwaar atoom.

We weten dat er veel meer donkere materie is dan normale materie. Waar het uit bestaat is echter nog een raadsel.
We weten dat er veel meer donkere materie is dan normale materie. Waar het uit bestaat is echter nog een raadsel.

Eerdere waarnemingen van spookachtig deeltje?
Dit spreekt aanwijzingen uit drie eerdere experimenten op aarde tegen, die juist wezen op een lichtgewicht donkere-materie deeltje dat ongeveer een kwart zo zwaar is.

Volgens sommigen zijn deze deeltjes nog niet ontkracht. De populairste kandidaat voor donkere materie is de WIMP (zwak reagerend, massief deeltje). WIMPs zouden zich vlak na de Big Bang gevormd hebben en er toe hebben geleid dat materie samenklonterde tot melkwegstelsels. We weten door de zwaartekrachteffecten hoeveel donkere materie er is en waar deze zich bevindt,maar we weten niet uit wat voor deeltjes (als het deeltjes zijn) deze bestaat. In drie deeltjesdetectoren – twee in de ondertussen wereldberoemde Gran Sasso en één in de Amerikaanse staat Minnesota werden aanwijzingen gevonden voor dit deeltje.

Waarnemingen van zelfvernietiging door donkere materiedeeltje?
Sommige modellen van WIMPs voorspellen dat de deeltjes hun eigen antideeltje zijn, dus elkaar vernietigen. Dit is waar te nemen door een voortdurende uitbarsting van gammastraling en deeltjes. In 2010 werd er inderdaad gammastraling gevonden, afkomstig van het centrum van de Melkweg (die zeer rijk is aan donkere materie) die zou ontstaan als een lichtgewicht donkere materiedeeltje zou worden vernietigd. Volgens twee andere groepen klopt dat echter niet en wijzen hun analyses op een deeltje dat vier keer zo zwaar is, 40 GeV.

Te weinig straling
Beide groepen letten op de hoeveelheid straling die vrijkomt in de dwergstelsels rond ons Melkwegstelsel gedurende meerdere jaren. Als de hoeveelheid donkere materie in een melkwegstelsel bekend is, is uit te rekenen hoe groot de kans is dat twee deeltjes elkaar annihileren. Hoe zwaarder de deeltjes, hoe kleiner hun waarschijnlijkheidsgolf en ook: hoe minder er van nodig zijn om de donkere materie te verklaren, dus hoe minder groot de kans op een botsing. Door middel van ingewikkelde berekeningen trokken ze de gammastraling af die vrijkomt uit bekende astronomische processen zoals pulsars en supernovae. Hierbij kwamen ze tot de conclusie dat de gammastraling te zwak was om door lichtere deeltjes veroorzaakt te worden.

Niet iedereen is echter nog overtuigd. Sommige onderzoekers denken dat het model dat hun collega’s gebruikten niet klopt. Zo kan donkere materie op een andere manier uiteenvallen dan de onderzoekers aannemen. Op deze manier kan er toch nog een lichtgewicht donkere-materiedeeltje bestaan.

Bronnen
Fermi-LAT Collaboration,Constraining dark matter models from a combined analysis of Milky Way satellites with the Fermi-LAT,ArXiv.org (2011)
Alex Geringer-Sameth en Savvas M. Koushiappas, Exclusion of canonical WIMPs by the joint analysis of Milky Way dwarfs with Fermi, ArXiv (2011)

Video: Big Rip vernietigt heelal

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 2 december 2011

De laatste paar miljard jaar zet het heelal steeds sneller uit. Althans: dat wijzen waarnemingen aan verre supernova’s uit. Waarom? Niemand weet het, al zijn er de nodige theorieën. De populairste theorie onder kosmologen: er bestaat een mysterieuze donkere energie die verantwoordelijk is. Als de donkere energie steeds maar blijft toenemen, is het gevolg onvermijdelijk. Op een dag zal de donkere energie het gehele heelal uit elkaar scheuren tot een onherkenbare wolk deeltjes. Hoe dat er uit ziet? Bekijk de video.

Klopt de theorie van de Big Rip, dan is er maar één kans om voor even te ontsnappen: een zwart gat induiken.

‘Supergeleidende antenne kan zwaartekrachtsgolven waarnemen’

4 reacties / Ideeën, Universum, Wetenschap / Door / 16 november 2011
Zwaartekrachtsgolven zijn door Einstein voorspelde trillingen in ruimtetijd. Tot nu toe is er nog nooit direct bewijs gevonden voor zwaartekrachtsgolven. Het lijkt er nu op dat er eindelijk een methode is ontdekt om dit spookachtige verschijnsel te ontdekken: een supergeleider.

Zwaartekrachtsgolven bieden kijkje in diepste geheimen van het heelal
Zwaartekrachtsgolven zijn zeer interessant, omdat ze opgewekt worden door buitenissige processen zoals botsende zwarte gaten of zelfs de Big Bang zelf. Ontdekken astronomen zwaartekrachtsgolven, dan biedt dit een rechtstreeks kijkje in de keukengeheimen van de kosmos, waaronder de nog steeds onbeantwoorde vraag wat zwaartekracht precies is. Ook voorspellen bepaalde kosmologische theorieën afwijkend gedrag van zwaartekrachtsgolven. Geen wonder, dat er enorme interesse bestaat in zwaartekrachtsgolven. Ook is het de enige voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie die nog niet direct is bevestigd.

Zwaartekrachtsgolven zeer lastig waar te nemen
Helaas is er een probleem. Weliswaar vervormen zwaartekrachtsgolven ruimtetijd waar ze doorheen reizen maar de gevolgen zijn miniem, denk aan de afmeting van de atoomkern van goud of uranium op een afstand van Amsterdam naar New York. In principe zijn de huidige generatie zwaartekrachtsdetectoren, monsterlijke apparaten tot vier kilometers lang, in staat dit minieme verschil te ‘spotten’. Deze apparaten lijken op een enorme L. Er kaatst voortdurend licht heen en weer dat met zichzelf interfereert. De theorie is dat als een zwaartekrachtsgolf passeert, de ene arm tijdelijk korter wordt dan de andere, dus dat dat het interferentiepatroon zal verstoren. Desondanks is er nog steeds geen zwaartekrachtsgolf rechtstreeks waargenomen.

Supergeleider als extreem gevoelige detector
Armen Gulian van de Chapman University in Maryland en enkele collega’s beschrijven nu een goedkoop, nieuw type detector dat veel compacter is dan dit soort reuzendetectoren. Uiteraard goed nieuws in een tijd van economische neergang. In plaats van op lengteverschillen te testen, maakt deze detector gebruik van een andere eigenschap.

De detector bestaat ui teen grote staaf supergeleidend metaal. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, werkt deze in op alle massa in de staaf, dus zowel de supergeleidende elektronen als de metaalatomen.De grap is dat de atomen in de metalen staaf vastgenageld zitten op hun plaats, maar de elektronen niet. Deze zijn geheel vrij om te stromen. Het gevolg: de zwaartekrachtsgolf zal de elektronen heen en weer slingeren, stellen ze. Een tweede supergeleidende staaf wordt aan een hoekpunt van de eerste staaf gezet (ze vormen dus een L). Als een zwaartekrachtsgolf de eerste staaf samenperst, wordt de tweede staaf uitgerekt. De elektronen in deze staaf zullen nu ook gaan trillen, maar dan uit fase met de eerste staaf. Als beide staven worden verbonden met een ook supergeleidende stroomdraad, moet er een soort wisselstroom ontstaan.

In principe, stelt de groep, (met enkele verfijningen, die nodig zijn vanwege specifieke eigenschappen van supergeleiders) kunnen ze op deze manier met twee staven van ongeveer tien meter lang, zwaartekrachtgolven waarnemen.

Zwaartekrachtsgolf wekt stroom op
Op dit moment zijn er ampèremeters van Hewlett Packard op de markt die stroompjes tot een attoampère kunnen waarnemen. Dat is in principe voldoende om de opgewekte stroom te meten. Elektromagnetische ruis kan uit worden gefilterd door alleen de voorspelde golven uit te filteren. Ook kan de detector in een magnetische fles worden geplaatst om zo alle elektrische en magnetische velden uit te sluiten. NASA heeft nu al een aantal dure missies geschrapt. Zou deze technische vondst de lancering van een goedkope zwaartekrachtsgolfdetector toch mogelijk maken?

Bron:
Armen Gulian et al., Superconducting Antenna Concept for Gravitational Wave Radiation, ArXiv.org (2011)

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila.

‘Uitzetting heelal door opbrandende sterren’

9 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 16 november 2021

Als fysicus ArtoAnnila gelijk heeft, bestaat er helemaal geen donkere energie, maar klopt onze rekenmethode om de afstand en snelheid van supernova’s te berekenen, domweg niet.  En veroorzaken sterren en supernova’s zelf de uitzetting als gevolg van een kwantumeffect. Food for thought, want deze oplossing is verrassend elegant…

De snelste route voor licht
Terwijl het licht vanaf de supernova voortreist, neemt het uitzettende heelal af in dichtheid. Als licht van een gebied met hoge dichtheid (zoals toen het heelal nog jong was of in de buurt van een zware ster) naar een gebied met lage dichtheid reist, schrijft Maupertuis’ principe van minimale actie voor dat het licht impuls verliest. Licht met een lagere impuls krijgt een grotere golflengte en wordt dus ‘roder’. Maupertuis’ principe bepaalt volgens Annila ook dat als het licht gebieden met een hoge energiedichtheid, zoals rond een ster, passeert, de lokale lichtsnelheid vermindert en de bewegingsrichting verandert.

Behoud van aantal quanta
Als dit de manier is waarop het licht van supernova’s reist, verklaart dit op zijn beurt waarom het universum uitzet, stelt Annila. Als een ster explodeert en zijn massa wordt omgezet in straling, vereist een behoudswet (vermoedelijk de regel dat er in een gesloten systeem, zoals het heelal, geen kwantuminformatie verloren mag gaan of bij mag komen) dat het aantal kwanta gelijk blijft, of deze zich nu in de vorm van massa of straling bevinden. Om de balans tussen energie die in materie is gebonden en energie die in de vorm van fotonen vrijkomt te behouden, bewegen de supernova’s van elkaar weg met een steeds toenemende gemiddelde snelheid. Deze oplossing heeft als voordeel dat er geen donkere energie of iets dergelijks voor nodig is. Deze zou namelijk de wet van behoud van energie schenden. Dit principe geldt overigens niet alleen voor supernova’s maar voor alle vormen van ‘gebonden’ energie. Als de gebonden vorm van energie in hemellichamen als sterren, pulsars, zwarte gaten en dergelijke in elektromagnetische straling wordt omgezet – energie met een veel lagere dichtheid – zorgen deze onherroepelijke omzettingen van massa in energie de uitzetting van het universum. Klopt Annila’s theorie, dan moet de uitzetting van het heelal volgens een sigmoïde (S-vormige) curve verlopen, zie diagram.  De uitzetting stopt namelijk als er geen ‘gebonden’ energie meer vrijkomt omdat alle materie is opgebrand. We zitten nu nog uiterst links op deze curve.

Een sigmoïde curve.
Een sigmoïde curve.

In één klap ook donkere materie verklaard
Annila laat ook zien dat als zwaartekrachtslenzen met dit concept worden geanalyseerd, er geen donkere materie meer nodig is om de resultaten te verklaren. Zoals bekend buigt zware materie licht af. Eén van de eerste experimentele bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie was een minieme afwijking van de positie van een ster omdat het licht door de zwaartekrachtsveld van de zon werd afgebogen.  Bij de zon klopt dit wel aardig, maar bij complete melkwegstelsels blijkt er een grote hoeveelheid “donkere materie” op te treden. Naar schatting is hier ongeveer vijf keer zoveel van als van standaard materie.

Fysische realiteit in plaats van wiskundige theorie
Toen Annila Maupertuis’ principe van minimale actie toepaste om te bestuderen hoe een melkwegstelsel van een bepaalde massa passerend licht zou doen afbuigen, berekende hij dat de afbuiging vijf maal groter is dan de uitkomst volgens de algemene relativiteitstheorie. Met andere woorden, de aanwezige massa in melkwegstelsels is zo voldoende om de afbuiging te verklaren. Dit verklaart mijns inziens ook de merkwaardige verdeling van donkere materie. Volgens Annila schiet de algemene relativiteitstheorie hier tekort omdat het (weer zijn stokpaardje, maar hij heeft een punt) een wiskundig model is, terwijl je in de natuurkunde een fysisch nauwkeurige beschrijving van het systeem moet maken om voorspellingen realistisch te maken. Het volgen van Maupertuis’ principe  levert dit model op.

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila. Krabnevel, bron NASA/ESA; public domain

Theorie kan getest worden met experimenten
In tegenstelling tot de snaartheorie, geloof in boze geesten en andere metafysica, kunnen deze concepten natuurlijk nauwkeurig worden getest. Het principe van kortste-tijd vrije energieconsumptie is per definitie een universele en onschendbare wet. Wordt met een experiment deze wet fout bevonden, dan is hiermee de theorie in één klap gefalsificeerd: een kenmerk van een goede wetenschappelijke theorie. Hiervoor kunnen de supernova-explosies gebruikt worden, maar ook de metingen van de zwaartekracht-satelliet Gravity Probe B.

Heeft Annila gelijk?
Annila doet buitengewone claims en deze vereisen dan ook buitengewoon grondige onderbouwing. Toekomstige experimenten zullen dus uitwijzen of hij gelijk heeft. Veel vakgenoten zijn sceptisch (zie ook comments onder het artikel op Physorg), onder meer omdat er ook melkwegstelsels bekend zijn die vrijwel geheel uit donkere materie bestaan.

Zeer aantrekkelijk aan zijn theorie is dat hij uit gaat van enkele rotsvast gegronde natuurkundig principes, dat van Maupertuis en behoud van kwantuminformatie, en maar liefst twee verschijnselen tegelijk verklaart: de versnelde uitzetting en donkere energie. Zijn theorie is daarom vanuit natuurkundig oogpunt gezien erg elegant. Dit is, kortom, zeker een nader onderzoek waard. Dit soort visionair denken is nodig om fundamentele wetenschappelijke doorbraken te bereiken.

Vervolg op: ‘Donkere energie onnodig’

Bronnen
A second look at supernovae light: Universe’s expansion may be understood without dark energy – Physorg.com (2011)
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011), versie zonder paywall

Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.

Supergeleidende snaren eindelijk rechtstreeks op te sporen

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 17 oktober 2011

Volgens sommige kosmologische theorieën zouden ze overal om ons heen moeten zijn: weeffouten in ruimtetijd, die zich manifesteren als een supergeleidende snaar. Drie natuurkundigen hebben nu een manier gevonden om ze op te sporen.

Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.
Volgens veel kosmologische theorieën moeten er in het heelal extreem zware, lichtjaren lange lussen zijn: weeffouten in ruimtetijd.

Wat zijn kosmische snaren?
Begin oktober 2011 is een artikel gepubliceerd, waarin de ontdekking van massieve slierten donkere materie tussen sterrenstelsels werd aangekondigd. Nog steeds is het een groot raadsel waar deze donkere materie uit bestaat. Dit terwijl er vier keer zoveel donkere materie is al normale materie. Een meer exotische kandidaat voor donkere materie, althans een deeltje ervan, zijn kosmische snaren: enorme in zichzelf gesloten lussen, die overblijfselen zijn van het inflatietijdperk waarin het heelal – volgens de gevestigde kosmologische theorieën dan – exponentieel uitzette. De snaren zijn extreem dun – minder dan een proton dik. Waarschijnlijk zou de snaar dus door je hand heen kunnen bewegen zonder dat je het merkt. Wel is de dichtheid van deze snaren extreem hoog. Een meter zware kosmische snaar heeft een massa vergelijkbaar met die van de aarde. Met je hand zou het dus door de enorme zwaartekracht alsnog zeer akelig aflopen.

Maar… bestaan ze wel?
Zoals met zoveel dingen op het grensgebied van wetenschap en speculatie is het bestaan van deze snaren nog steeds niet aangetoond of verworpen. Volgens de theorie moet er in het zichtbare heelal minimaal één reuzensnaar voorkomen.

Deze snaren – als ze bestaan – beloven een aantal bizarre eigenschappen te hebben. Zo zouden ze onder bepaalde omstandigheden een tijdmachine mogelijk kunnen maken.Ze vormen een zeer dunne buis waarin een stuk heelal van voor de uitzetting is opgesloten. Kosmische snaren zijn waar te nemen omdat ze het licht om zich heen afbuigen. Rond de snaren raakt ruimtetijd vervormd, waardoor objecten die er in de buurt staan dubbel lijken te zijn [2]. Bewijzen voor hun bestaan ontbreken tot nu toe nog, maar wel zijn er enkele raadselachtige waarnemingen gedaan die volgens astronoom Rudolph Schild het beste zijn te verklaren door aan te nemen dat er een kosmische snaar langs trok[3]. Er is welgeteld één andere manier bekend om vast te stellen of ze bestaan: zwaartekrachtsgolven. Bij elke trilling van een dergelijk extreem massief object komen die vrij, aldus de algemene relativiteitstheorie. Ook zouden kosmische snaren door dit effect snel uit elkaar vallen, want ook zwaartekrachtsgolven bevatten energie. Helaas zijn de extreem dure zwaartekrachtsdetectoren LISA en LIGO nog niet gelanceerd. De oorlog in Irak, die ongeveer honderd maal zoveel kostte, was belangrijker.
Of kosmische snaren weer het zoveelste woeste bedenksel van kosmologen zijn of werkelijk fysische realiteit zijn, is dus nog steeds niet uitgemaakt.

Snaren waarnemen door radiostraling
Een drietal natuurkundigen heeft nu een goedkopere manier bedacht om op snarenjacht te gaan[4]. De snaren zijn namelijk volgens de meeste theorieën supergeleidend en, zoals bekend, als je een geleider snel heen en weer beweegt in een magnetisch veld, ontstaat er stroom. Een wisselende stroom wekt dan weer radiostraling op. Vooral zogeheten cusps, knikpunten, in de snaar, moeten hierdoor een rijke bron van  radiostraling vormen die zonder problemen op aarde te ontvangen is. En radiotelescopen zijn er op aarde te over. De meeste radiostraling wordt volgens het drietal afgegeven in zeer lange golflengtes. Immers, de snaren zijn vele lichtjaren lang. Echter: er komt zo veel energie vrij door de trillingen, dat ook boventonen nog duidelijk waar te nemen zijn en dat er vanaf de aarde geregeld radio-uitbarstingen met een zeer karakteristiek verloop waar te nemen moeten zijn.

Zouden kosmische snaren inderdaad bestaan, dan zijn de toepassingen zeer boeiend. Ze zouden als energiebron gebruikt kunnen worden of misschien zelfs wel als transportmethode. Want een scheur in ruimtetijd biedt een aantal zeer interessante mogelijkheden. Aan de andere kant is het maar gelukkig dat kosmische snaren – als ze al bestaan – uitermate zeldzaam zijn.  Want met de aarde loopt het waarschijnlijk akelig af als er een extreem zware snaar door ons zonnestelsel heen vliegt.

Bronnen
1. Koichi Miyamoto et al., Cosmological effects of decaying cosmic string loops with TeV-scale width, presentatie (2011)
2. Smoot et al., The Search for Cosmic Strings (Poster)
3. String revival, Scientific American (2005)
4. Yi Fu Cai et al., Radio bursts from superconducting strings, ArXiv (2011)