relativiteitstheorie Archieven

‘Gravitomagnetisme verklaart donkere materie’

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door Germen Roding

Einsteins wraak? Tot nu toe dachten natuurkundigen dat ze het met Newton alleen af konden, maar gravitomagnetisme blijkt donkere materie te kunnen verklaren.

Donkere materie verklaart zwaartekrachtsafwijkingen. Maar…

Het is misschien wel het grootste raadsel in de moderne kosmologie. Het buitenste deel van sterrenstelsels draait veel sneller dan mogelijk is, als we aannemen dat alle lichtgevende waarneembare materie, sterren en gaswolken dus, ook alle materie is. De op dit moment meest gebruikte manier om dit te verklaren is dat er onzichtbare materie bestaat, de donkere materie. Deze vormt een “halo” om sterrenstelsels heen. Omdat de halo met donkere materie niet geconcentreerd is op één punt, “voelt” een ster vlakbij bij de kern van ons Melkwegstelsel, minder zwaartekracht dan ons zonnestelsel, dat grotendeels buiten de halo ligt. Zo verklaar je met het donkere materie model, dat sterrenstelsels zich zo gedragen als ze doen.

Er is alleen een klein probleem. Nog nooit hebben we een spoor aangetroffen van donkere materie, anders dan door de zwaartekrachtwerking. Nu is er een nieuw artikel verschenen van de hand van astrofysicus Georg Otto Ludwig, dat schokgolven door het kosmologische wereldje stuurt. Volgens dit artikel is donkere materie een rekenfout. Ontstaan, omdat we geen rekening houden met gravitomagnetisme. Om precies te zijn, met het Lense-Thirring effect. Doen we dat wél, dan duikt er iets op dat zich precies zo gedraagt als donkere materie.

Wat is gravitomagnetisme?

Als elektrische lading beweegt, wekt het een magnetisch veld op. Dat leren de vier Vergelijkingen van Maxwell, die het elektromagnetisme volledig beschrijven. Maar wat gebeurt er als massa beweegt? Zwaartekracht wijkt op twee punten af van elektromagnetisme. Ten eerste kennen we alleen maar positieve zwaartekracht ‘lading’. Er bestaat nog geen negatieve massa, anders dan op kwantumniveau. Dat is balen. Want die was erg handig geweest voor Alcubierre warp drives. Zonder een warp drive komen we niet veel verder dan het zonnestelsel. En wordt het natuurlijk nooit wat met de Galactische Federatie van Star Trek.

Maar gravitomagnetisme, de zwaartekracht versie van magnetisme, bestaat wel degelijk. Gravitomagnetisme ontstaat als massa beweegt. Dus de aarde wekt gravitomagnetisme op, door rond te draaien. Bij de aarde is dit effect erg zwak. Pas in 2011 is het gelukt het Lense-Thirring effect en het geodetische effect aan te tonen in een satelliet. Geen wonder. Dit effect op aarde is erg zwak. Denk aan 1 op de 30 000 000 000 000 (dertig biljoenste). Dat is om en nabij de massa van een virusdeeltje, vergeleken met een blauwe vinvis. Maar op kosmologische schaal is gravitomagnetisme niet meer te verwaarlozen. Zo blijkt uit de berekening van Ludwig.

Het Andromedastelsel, zoals gefotografeerd door David Dayag, CC 4.0 via Wikimedia. Verklaart gravitomagnetisme donkere materie?

Gravitomagnetisme als rem

De enorme schijf van ronddraaiende materie, wekt een gravitomagnetisch veld op. Dit veld werkt, net als magnetisme, de oorzaak van het ontstaan van dit veld, het zwaartekrachtsveld van de Melkweg tegen. Dat veld laat immers de materie ronddraaien. Vooral als de centrifugale “kracht” afneemt, wordt gravitomagnetisme in verhouding belangrijker. En op zeer grote afstand, neemt het belang van gravitomagnetisme in verhouding ook toe. In zijn berekening komt Ludwig op ongeveer de tachtig procent “donkere materie” die we uit eerdere onderzoeken kennen. Is dit de nekslag voor de donkere materie theorie? Of maakt Ludwig ergens een fout?

Bron

G. O. Ludwig, Galactic rotation curve and dark matter according to gravitomagnetism, The European Physical Journal C (2021). DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-08967-3

‘Zwart gat bevat Planck-ster’

1 Reactie / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

In zwarte gaten bevindt zich een punt van oneindige dichtheid, waar de natuurwetten eindigen. Zegt althans de algemene relativiteitstheorie. Onzin, zeggen enfant terrible natuurkundige Carlo Rovelli en collega Francesca Vidotto van de universiteit Nijmegen. In plaats daarvan vormt zich de ultieme barriÃ¨re, de planckster.

Hoe ontstaat een zwart gat?
Onze aarde stort niet in tot een zwart gat. De reden is dat materie door kwantumeffecten zijn structuur behoudt. Deze kwantumeffecten overwinnen vereist een enorme druk. Een druk, die in het binnenste van de aarde niet gehaald wordt, maar wel in ineenstortende sterren. Er zijn in feite meerdere stadia in het samendrukken van materie, die we hieronder zullen noemen.

In het eerste stadium wordt materie zo dicht op elkaar geperst dat atomen verdwijnen en de materie degenereert, verandert in een “elektronenvloeistof”, waarin atoomkernen omgeven worden door elektronen met een snelheid in de buurt van de lichtsnelheid. Elektronenvloeistof is zeer dicht: een theelepeltje weegt ongeveer een ton. Witte dwergen, het vermoedelijke eindstadium van de zon, bestaan uit deze elektronenvloeistof.

Als de druk verder toeneemt, wat het geval is boven de Chandrasekharlimiet van 1,4 zonsmassa, wordt ook de elektronenvloeistof gekraakt. De enorme druk maakt dat het energiegunstiger is voor elektronen en protonen om te fuseren tot neutronen: neutronium. Neutronium is ongeveer zo dicht als atoomkernen. Een theelepel neutronium weegt zoveel als een berg, of een complete stad. Neutronensterren, die wij waar kunnen nemen als pulsars, bestaan uit neutronium. De complete massa van een ster van enkele zonsmassa’s is dan samengebald in een bolletje van ongeveer twintig kilometer doorsnede. De Schwarzschildradius van deze massa is negen kilometer, niet veel kleiner dus. Er is inderdaad niet veel meer nodig om een neutronenster in elkaar te laten storten tot een zwart gat.

Nu naderen we de grens van de bekende kennis. Natuurkundigen denken dat er nog een verdere fase is: de quarkster. Ook neutronen bestaan namelijk uit samenstellende deeltjes, de quarks. Neutronen kunnen nog verder samengeperst worden tot ook zij degenereren en er een quark-gluonplasma ontstaat. Deze natuurkunde is nog slecht begrepen, omdat we deze omstandigheden alleen zeer moeizaam, in de Large Hadron Collider, kunnen nabootsen.

Op een gegeven moment komt er een fundamentele limiet, waarop de zwaartekracht zo hoog wordt dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Er vormt zich een waarnemingshorizon en een zwart gat is geboren. Volgens de heersende theorieën is de zwaartekracht nu zo allesoverheersend dat niets de ineenstorting tot een enkel punt van oneindige dichtheid, de singulariteit, meer kan stoppen.

Een singulariteit is een rechtgeaarde natuurkundige een gruwel. Dat is namelijk een punt waarop de natuurwetten niet meer opgaan. Zie deze video.

Planckster
Volgens Rovelli is er een fundamentele limiet aan dichtheid, die te maken heeft met ruimtetijd zelf. Als een ster ineenstort tot het volume van een atoomkern, wordt de Planckdichtheid bereikt. Dit is c⁵/hG², rond de 10⁹³gram per kubieke centimeter. De dichtheid van het heelal na het verstrijken van de Plancktijd van 10^-43 seconde. Dit zorgt voor een sterk afstotend effect. Het gevolg is dat de ster “terugveert” in een fractie van een seconde. Door de extreme tijdsvertraging in de buurt van zwarte gaten, lijkt dit proces voor een waarnemer buiten het zwarte gat vele miljarden jaren te kosten. Door Hawkingstraling is het zwarte gat dan al aan het verdampen. Rovelli denkt dat op deze manier zwarte gaten van voor de Big Bang het hebben kunnen overleven.

Stof om na te denken. Dit artikel dateert van 2014, maar ondertussen zijn m.b.v. de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO zwarte gaten van plm. 30 zonsmassa’s aangetroffen. Dit zouden goed primordiale zwarte gaten kunnen zijn. Uit een periode van voor de Big Bang?

Bron
Carlo Rovelli en Francesca Vidotto, Planck Stars, ArXiv (2014)

Zwaartekrachtsgolven bestaan

5 reacties / Analyses, Ideeën, natuurkunde, Techniek, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

Een groot moment voor de wetenschap. De laatste grote voorspelling van Einstein, het bestaan van zwaartekrachtsgolven, is nu experimenteel bevestigd door de zwaartekrachtsdetector LIGO.

Wat is een zwaartekrachtsgolf?
Net zoals watergolven als je roert in een stil wateroppervlak, of elektromagnetische golven als je een elektrische lading heen en weer beweegt, ontstaan er volgens de algemene relativiteitstheorie zwaartekrachtsgolven, als er een voorwerp met massa beweegt. Zwaartekrachtsgolven trekken ruimtetijd uit elkaar en/of persen deze samen, als de golf door een stuk ruimte trekt.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier elementaire natuurkrachten. Ons lichaam, dat bijeengehouden wordt door de elektromagnetische kracht, kan daarom omhoog springen, tegen het enorme zwaartekrachtsveld van de aarde in. Dat kan, omdat de zwaartekracht van elektronen 10³⁹ maal zwakker is dan de elektromagnetische kracht tussen hen. Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar opheffen, maar zwaartekracht alleen maar toeneemt, ligt dat op astronomische schaal totaal anders. Hier is de zwaartekracht veruit de belangrijkste kracht. Het is de zwaartekracht die de aarde en de zon (en het Melkwegstelsel) bij elkaar houdt.

Hoe werkt een zwaartekrachtsdetector?
Het voornaamste effect van een zwaartekrachtsgolf is dat materie beurtelings uit elkaar en in elkaar geduwd wordt. Kortom: afstanden veranderen tijdens een fractie van een seconde. En afstandsveranderingen kan je meten. Zeer nauwkeurig zelfs, met een laserinterferometer. LIGO is in feite een tweetal laserinterferometers, met laserstralen die loodrecht op elkaar staan. Als een trilling wel in de ene arm optreedt en niet in de andere, is het een zwaartekrachtsgolf geweest.

Wat voor object heeft de zwaartekrachtsdetector ontdekt?
De sterkste zwaartekrachtsgolven denkbaar worden opgewekt, als twee extreem zware objecten zeer dicht om elkaar draaien. De zwaarst denkbare objecten zijn zwarte gaten: astronomische objecten die zo zwaar en dicht zijn dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. De ontdekte bron van zwaartekrachtsgolven bestaat uit twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Deze ontdekking is ook op zich groot astronomisch nieuws. De zwarte gaten in kwestie zijn namelijk met respectievelijk 29 en 36 zonsmassa’s middelzwaar, een type dat tot nu toe nog nooit is waargenomen.

De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte. -NASA

De waargenomen zwaartekrachtsgolven vormen de doodskreet van deze zwarte gaten. De aarde draait altijd in dezelfde baan om de zon. Dat komt omdat de uitgestraalde zwaartekrachtsenergie van de aarde heel weinig is: het vermogen van een grote gloeilamp. Alleen al de lichtdruk van het zonlicht (die de aarde naar buiten duwt) is groter dan dit. Dat verandert bij heel snel ronddraaiende zware objecten, zoals deze zwarte gaten. Deze tollen duizenden malen per seconde om elkaar heen en stralen daardoor extreem veel zwaartekrachtsenergie uit: vlak voor de ineenstorting zelfs meer dan de straling van alle sterren in het zichtbare heelal.

Wat kan je met zwaartekrachtsgolven?
Op dit moment is de voornaamste toepassing: astronomische waarnemingen. Zoals al bleek uit deze eerste waarneming. Dit bleek meteen de ontdekking van middelgrote zwarte gaten, die tot nu toe nog nooit waargenomen zijn. Alleen kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s en de reusachtige zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s in het centrum van sterrenstelsels.
Zwaartekrachtsgolven worden niet gehinderd door gas of stof.

Stel, je hebt flink wat yottajoules energie beschikbaar en wat zwarte gaten bij de hand, dan zou je ook zwaartekrachtskogels, zwaartekrachtssolitonen, kunnen maken. Dat is een speciale golf die bij elkaar blijft. Op dit moment het domein van wiskundigen, maar in de verre toekomst praktisch haalbaar. Je zou hiermee zwaartekrachtspulsen kunnen geven. Deze uitspraak is onder voorbehoud: ik heb het boek in kwestie niet gelezen.

Bronnen
New Scientist

Tien opmerkelijke weetjes over zwarte gaten

2 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

Test je algemene kennis over zwarte gaten. Wist je bijvoorbeeld al dat zwarte gaten vijftig keer zo veel energie per kilogram leveren als de veelbejubelde kernfusie, en dat een zwart gat in de buurt onze energieproblemen zou oplossen?

De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er massaconcentraties bestaan, waarbij zelfs licht niet meer kan ontsnappen: zwarte gaten. Hoewel er nog niet 100% zeker is vastgesteld dat zwarte gaten inderdaad bestaan, zijn er wel meerdere verschijnselen aangetroffen die alleen door middel van een zwart gat zijn te verklaren. De kleinst bekende zwarte gaten hebben een massa van enkele zonsmassa’s, de grootste van vele miljoenen zonsmassa’s.

‘Neutrino’s hebben imaginaire massa’

5 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

Robert Ehrlich van de George Mason University in Virginia heeft zes waarnemingen beschreven die er op lijken te wijzen dat neutrino’s een imaginaire massa hebben, dus sneller dan het licht bewegen. Wat betekent dit precies?

Neutrino’s zijn vermoedelijk de raadselachtigste waargenomen deeltjes die we kennen. Deze ‘kleine neutraaltjes’ komen voor in drie ‘smaken’, elektron- , mu- en tauon-neutrino, waartussen ze oscilleren. Neutrino’s waarnemen is uiterst moeilijk, omdat ze alleen via de zogeheten zwakke wisselwerking met andere deeltjes wisselwerken. Pas in de eenentwintigste eeuw is bevestigd dat ze inderdaad massa hebben, al is niet bekend welke massa. Paul Ehrlich denkt hierop een antwoord te hebben. Neutrino’s beschikken over imaginaire massa, en moeten dus tachyonen zijn, dat wil zeggen: deeltjes die alleen sneller dan de lichtsnelheid kunnen bewegen.

Imaginaire getallen
Op de middelbare school krijg je ze helaas niet, maar ze duiken op in het eerste jaar van meer exacte studies, omdat ze zo handig zijn: imaginaire getallen. Het imaginaire eenheidsgetal i is gedefinieerd als de wortel uit -1. i vermenigvuldigd met i levert dus -1 op. Herhaal je dat, dan krijg je -i. Vermenigvuldig je dit weer met i, dan kom je uit op de welbekende 1. Je hebt als het ware een rondje gemaakt rond het nulpunt van een assenstelsel, warbij de i-getallen op de y-as liggen. En inderdaad blijken imaginaire getallen alles te maken te hebben met periodieke verschijnselen.

Waarom kan je niet sneller dan het licht?
Hoe dichter je de lichtsnelheid benadert, hoe groter de totale massa wordt ten opzichte van het punt van waar je meet. De totale massa (M) is [latex]M = m/\sqrt{1 – v^2/c^2}[/latex]. Let op dat wortelteken. Als v, je snelheid, bijna even groot i als c, de lichtsnelheid, nadert v^2/c^2 1, dus de uitdrukking onder het wortelteken 1-1=0. Daardoor wordt de relativistische massa enorm. je kan dus beter snel maken dat je uit de buurt komt, als iets met relativistische snelheid op je afkomt, want al die massa wordt dan omgezet in energie. Precies de lichtsnelheid mag niet, want dan deel je door nul en zou je een oneindige massa hebben. Maar wat gebeurt er als je sneller gaat dan het licht? Dan wordt het getal onder het wortelteken negatief. Er ontstaat dan imaginaire massa. Dit, stelt Ehrlich, is er aan de hand met neutrino’s.

Zes waarnemingen
Ehrlich analyseerde de resultaten van zes eerder door anderen gedane onderzoeken en kwam tot de conclusie dat deze het beste overeenkwamen met het aannemen van een imaginaire massa. Deze onderzoeken bestudeerden CMB fluctuaties, gravitational lensing, spectra van kosmische straling, neutrino oscillaties, en neutrino dubbele beta verval. Deze middelde hij en kwam voor de rustmssa uit op een waarde van ongeveer een miljoenste van die van een elektron. Omdat in zijn theorie neutrino’s sneller dan het licht bewegen, verandert dit dus in een imaginaire massa. Hij beschrijft drie manieren hoe zijn hypothese kan worden getest: op zoek gaan naar een piek van 4.5 PeV in kosmische straling, de energieverdeling van de vrijkomende deeltjes bij het verval van de radioactieve waterstofisotoop tritium bestuderen, of afwijkingen in de neutrinoverdeling waarnemen als er in de galactische buurt een supernova met volledige instorting van de sterkern plaatsvindt. Zou zijn hypothese kloppen, en vinden we een praktische manier om met neutrino’s te communiceren op interstellaire afstanden, dan zijn de gevolgen uiteraard spectaculair. We zouden dan sneller dan licht boodschappen kunnen uitwisselen. Dat maakt een interstellaire kardashev-III beschaving veel haalbaarder.

Bron
R. Ehrlich, Six observations consistent with the electron neutrino being a tachyon with mass: m²_{Î½_e} = âˆ’0.11 ± 0.016eV², Arxiv preprint server, 2014 (geaccepteerd voor publicatie door Astroparticle Physics)

Geliefden herenigd in zwart gat

6 reacties / Ideeën, Visionaire vragen / Door Germen Roding

Kwantumverstrengeling maakt het mogelijk voor geliefden op vele lichtjaren afstand om elkaar toch te ontmoeten. Nadeel: om dit plannetje uit te voeren moet je wel wat zware sterren opstoken, maar dan heb je ook wat: enkele fracties van seconden tot enkele weken samen in een kwantumverstrengeld zwart gat.

Het recept gaat ongeveer zo.
Neem een enorme hoeveelheid kwantumverstrengeld licht, verdeel dit over beide geliefden (laten we ze Alice en Bob noemen) en fabriceer er twee zwarte gaten van. Spreek vervolgens een tijdstip af dat je er allebei tegelijk in springt. Als de zwarte gaten maar groot genoeg zijn, bijvoorbeeld omdat je een paar dwergsterrenstelsels opstookt, kan je tot enkele weken samen doorbrengen voor je in stukjes wordt vermalen.

Dan moet de nieuwe theorie van snaarbeoefenaars Juan Maldacena en Leo Susskind, volgens welke dit mogelijk is, natuurlijk wel kloppen. Hoewel kwantumverstrengeling overtuigend is aangetoond, geldt dit niet voor zwarte gaten. Hoewel we objecten kennen die alleen te verklaren zijn door aan te nemen dat het zwarte gaten zijn (bijvoorbeeld Sgr A in het centrum van de Melkweg), is niet bekend hoe zwarte gaten zich binnen de waarnemingshorizon gedragen. Wacht dus nog even met springen. Het is vermoedelijk slimmer om de kwantumfunctie van Alice of Bob te klonen (waarbij je het no-cloning theorem omzeilt door ‘slechte’ kopieën te maken) en die als laserbundel te versturen. Diot kost veel minder energie.

Bron
Leonard Susskind en Juan Maldacena, Cool horizons for entangled black holes, Arxiv preprint (2013)

‘Andromedastelsel ramde tien miljard jaar geleden in Melkweg’

29 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding

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/Î¼(a/a₀), waarbij a₀ op aarde onwaarneembaar klein is: a₀ â‰ˆ 10^âˆ’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.

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

Zo werkt de voorgestelde opstelling. Een intense lichtpuls wekt in diamant zowel een optisch zwart gat als een optisch wit gat op. Hiertussen weerkaatst het licht. Bron:(2)

Zwarte-gat laser ontwikkeld

3 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding

Je kan licht versterken door het heen en weer te laten kaatsen tussen de waarnemingshorizonnen van een zwart en een wit gat. Fysici hebben nu een methode bedacht om een dergelijke ‘zwarte gat’ laser in een laboratorium na te bouwen.

De laatste jaren is ontdekt dat in bepaalde metamaterialen, dat zijn materialen die niet massief zijn maar een complexe structuur kennen en bijvoorbeeld een negatieve brekingsindex kunnen bezitten, gebruikt kunnen worden om een model te bouwen van bijvoorbeeld ruimtetijd, andere universa met exotische dimensies en verschijnselen als zwarte gaten. De reden is dat ze wiskundig gezien op dezelfde wijze worden beschreven. Doorgaans wordt hier gebruik gemaakt van de optische eigenschappen van deze materialen. Naar blijkt, is het mogelijk een optisch ‘zwart gat’ te construeren, dat zelfs Hawkingstraling afgeeft. Chinese natuurkundigen deden dat in 2009[1]. Deze analogie kan nog verder worden doorgetrokken. Niet alleen zwarte gaten, die alle licht of andere dingen die de waarnemingshorizon passeren opslokken, maar ook witte gaten, waarin niets achter kan blijven, blijken met metamaterialen na te bootsen. Ook deze witte gaten moeten dan, blijkt uit de wiskundige formules, Hawkingstraling afgeven. De Hawkingstraling van een reëel, stellair zwart gat is overigens veel te zwak om waar te nemen, laat staan op afstand. Van een zeer klein kunstmatig zwart gat treden er wel verschijnselen op die karakteristieken van Hawkingstraling hebben, al zijn deze waarnemingen nog behoorlijk omstreden.

Hawkinglaser
Stel dat Hawkingstraling werkeljk bestaat (waarop de kans per saldo vrij groot is, gezien zowel de algemene relativiteitstheorie i.c.m. kwantumechanica en de (omstreden) waarnemingen die daarop wijzen). Wat zou je er dan mee kunnen doen? Het antwoord: een laser mee bouwen, aldus een aantal onderzoekers. Hun idee is om een zwart gat naast een wit gat te creëren, enkele honderden micrometers van elkaar gescheiden, en met behulp hiervan een kleine holte te fabriceren. In hun artikel laten ze zien dat als licht wordt afgevuurd in deze holte, het vanaf de causale horizon van een wit gat wordt gekaatst naar de waarnemingshorizon van een zwart gat en andersom. Nu gebeurt er iets interessants. Naar blijkt, zorgt elke reflectie voor een versterking. De Hawkingstraling wordt toegevoegd aan de bundel, waardoor deze wordt versterkt. Dit proces is logaritmisch, zodat een kleine hoeveelheid licht een intense stralingsbundel produceert. Helaas voor Darth Vader en de Dark Emperor (en gelukkig voor ons en onze mooie, groene wereld) bestaan er in het ons bekende heelal voor zover we weten geen witte gaten – er is geen natuurkundig proces bekend waardoor deze zich kunnen vormen – maar deze must-have voor elke galactische veroveraar met destructieve neigingen kan wel op kleine schaal in het lab nagebouwd worden, zo blijkt uit berekeningen.

Licht vormt zelf gebeurtenishorizon
Overigens zijn Faccio en zijn groep niet de eersten (alhoewel wel de eerste die hiervoor witte gaten gebruiken). De briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Borisovich Zel’dovich beschreef al decennia eerder een zogeheten zwarte gat bom, een zwart gat omringd door een schil, die ook van dit amplificerende effect van Hawkingstraling gebruik maakte. Wat hun prestatie echt uniek maakt, is dat ze laten zien hoe dit instrumnt ook echt in het lab gebouwd kan worden. Ze wijzen erop dat de refractieindex van bepaalde materialen afhangt van hoeveel licht er doorheen valt. Met andere woorden: licht verandert de refractieindex. Als je iets afweet van natuurkunde gaat er nu een belletje rinkelen. Immers: ook voor massa geldt dat deze de kromming van ruimtetijd beïnvloedt. Hierdoor ontstaat dus een zeer interessante analoog aan ruimtetijd, waarin het licht de rol van massa vertegenwoordigt en de refractieindex de kromming van ruimtetijd. Een zeer intensieve bundel zal dus een enorm steile gradiënt veroorzaken in het materiaal. Zo steil zelfs dat licht niet meer kan ontsnappen, m.a.w. we hebben hier dan iets dat zich gedraagt als een gebeurtenishorizon. In feite kan een enkele puls zelfs twee fenomenen produceren: een zwart gat aan de voorkant en een wit gat aan de achterkant.

Zwart gat in diamant
De groep wil juist dit fenomeen gebruiken voor hun onderzoek. Volgens hen zou di mogelijk moeten zijn in optische golfgeleiders gemaakt van diamant. Ze hebben het model numeriek doorgerekend en volgens hen werkt het als verwacht. Op dit moment is het mogelijk diamant in elke gewenste vorm te laten groeien (al is het een zeer traag, energieslurpend en dus duur proces), dus zou het in principe mogelijk moeten zijn dit idee in het lab uit te testen. Een veelbelovend vooruitzicht. Want waarschijnlijk zijn er ook de nodige positieve toepassingen te bedenken voor dit unieke fenomeen.

Bronnen
1. Qiang Cheng, Tie Jun Cui, Wei Xiang Jiang, Ben Geng Cai, An electromagnetic black hole made of metamaterials, ArXiv (2009)
2. Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, Optical Black Hole Lasers, ArXiv (2012)

Video: is het universum plat?

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

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.

Volgens de algemene relativiteitstheorie zit er in elk stilstaand zwart gat een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit. maar... zouden er ook naakte singulariteiten zijn?

‘Naakte singulariteit in vijfde dimensie mogelijk’

54 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding

Kosmoloog Lehner koos een wel heel ongelukkig moment om Hawking te vertellen dat hij weer een weddenschap verloren heeft: diens zeventigste verjaardag. Als de snaartheorie klopt, bestaan er namelijk punten waar alle natuurwetten op tilt gaan in de vijfde dimensie.

Punt met oneindige dichtheid
Een beetje spijt had Luis Lehner van het Perimeter Institute in Ontario, Canada, wel, maar hij deed het toch. De weddenschap in kwestie ging over de vraag of een singulariteit, een punt met oneindige dichtheid en dus kromming van ruimtetijd, ook buiten de waarnemingshorizon van een zwart gat kan bestaan. Bij een stilstaand zwart gat voorspelt de algemene relativiteitstheorie namelijk dat ruimtetijd instort tot een punt, waar alle natuurkundige wetten die we kennen, niet meer voor gelden. Om een singulariteit wordt de wereld compleet onvoorspelbaar.

Bestaat er een naakte singulariteit?
Om dat punt ligt de waarnemingshorizon van een zwart gat, het grensvlak waarbinnen alles onherroepelijk wordt opgeslokt door het zwarte gat.
Dat scheelt natuurkundigen veel hoofdbrekens, want de waarnemingshorizon beschermt zo de rest van het heelal tegen de singulariteit. Reden voor Hawking om in 1991 met collega’s Kip Thorne en John Preskill de weddenschap aan te gaan, dat dit voor iedere singulariteit geldt. Met andere woorden: naakte singulariteiten bestaan niet. Het heelal zoals we dat kennen blijft altijd netjes voorspelbaar.
Zes jaar later verloor Hawking de weddenschap. Er bleken situaties te bestaan waarin naakte singulariteiten konden bestaan. Wel bleken deze uiterst instabiel: bij de geringste verstoring vormden ze een waarnemingshorizon.

Snaartheorie voorspelt naakte singulariteiten in vijfde dimensie
Lehner heeft nu een nieuwe situatie bedacht waarin naakte singulariteiten kunnen bestaan: in de extra dimensies die ons heelal volgens de snaartheorie heeft. Niet als afwijking,maar als regel.

“Zwarte snaren”
De singulariteit in een zwart gat is te zien als een punt in een vierdimensionale ruimte: drie ruimtedimensies plus de tijd. Als hieraan een vijfde dimensie wordt toegevoegd, verandert de singulariteit in een snaar – de zogenoemde zwarte snaar. Zwarte snaren zijn instabiel en breken uiteen in kleinere zwarte gaten, ongeveer zoals een waterstraal in druppels uiteenvalt. In zijn wiskundige afleiding toonde Lehner aan dat op het moment dat een kleiner zwart gat van de stroom afbreekt, de doorsnede nul is en de dichtheid dus oneindig – met andere woorden, een naakte singulariteit.

Heeft het heelal wel vijf dimensies?
De snaartheorie is nog nooit experimenteel getoetst en hiermee nog steeds omstreden. Fervente snaarhaters (waaronder ikzelf) vragen zich daarom af of er wel iets als snaren bestaan en of het heelal inderdaad meer dan vier dimensies heeft. In feite is er zelfs een theorie (het holografische principe) die stelt dat het heelal maar twee ruimtedimensies heeft, waaruit de derde dimensie als emergente eigenschap tevoorschijn komt. Kortom: Hawking en de andere natuurkundigen hoeven zich voorlopig nog geen zorgen te maken over hoe ze het gedrag van een naakte singulariteit moeten beschrijven…

Bron
‘Naked black hole hearts live at the fifth dimension’- New Scientist (2012)