zwaartekracht

Zwaartekrachtsgolven bestaan

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

Video: antizwaartekrachtspomp ontwikkeld

Kesong Liu van de Beihang Universiteit in de Chinese hoofdstad Beijing ontwikkelde met zijn team dit opmerkelijke apparaat, dat alle wetten van de natuurkunde lijkt te tarten.

De “antizwaartekrachtspomp” werkt door een netwerk van koperdraden, behandeld met alkalische oplossing zodat zich kleine gasbellen vormen. Als gevolg daarvan wordt het oppervlak extreem waterafstotend. Als een druppel die onder het netwerk wordt geplaatst naar boven wordt gezogen, door de oppervlaktespanning van water, wordt de vloeistof er boven als het ware naar boven geperst. Het systeem kan water niet verder dan een centimeter omhoog transporteren, maar is vermoedelijk erg nuttig voor labs on a chip.

Het systeem lijkt de wet van behoud van energie te schenden, maar vergeet niet dat water in een druppel, vooral een kleine druppel, energetisch ongunstiger is dan een bak water. Die energie komt vrij en drukt het water omhoog. Wat omlaag valt is een grote druppel.

De druppel wordt naar binnen gezogen. Antizwaartekrachtspomp?

Bron
Kesong Liu et al., Superhydrophobic “Pump”: Continuous and Spontaneous Antigravity Water Delivery, Advanced Functional Materials, 2015

‘Zwerfsterren verspreidden leven naar andere sterrenstelsels’

Naar we nu weten, worden grote hoeveelheden sterren met zeer grote snelheden de intergalactische ruimte in geslingerd. Zou dit verklaren hoe het leven op aarde terecht is gekomen?

Centrum Melkweg: ideale verspreidingsgrond voor leven
Op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand bevindt zich het centrale zwarte gat van de Melkweg, waaromheen de rest van het sterrenstelsel draait. De sterdichtheid in dit gebied is enorm: waar in de omgeving van de Zon sterren op gemiddeld enkele lichtjaren afstand van elkaar staan, zijn de afstanden in de dichtbevolkte kern van het Melkwegstelsel veel kleiner: gemiddeld 100 sterren per kubieke parsec, wat neerkomt op een gemiddelde afstand van minder dan 0,8 lichtjaar tussen sterren. Op deze korte afstanden zullen de Oortwolken rond deze sterren voortdurend brokstukken uitwisselen; volgens sommige schattingen is de uiterste rand van de Oortwolk rond de zon ongeveer een lichtjaar in diameter. De kans is dus veel groter dan hier, in de buitengewesten van het Melkwegstelsel, dat het leven zich van het ene planetenstelsel naar het andere kan verplaatsen.

Eerder bouwstenen voor leven aanwezig
Een ander argument is dat de ‘metaalrijke’ Populatie I sterren in het centrum van de Melkweg rijk zijn aan atomen zwaarder dan waterstof en helium. Vlak na het ontstaan van het heelal bestond er alleen waterstof, het extreem inerte edelgas helium en een spoortje lithium. Er zijn hiermee welgeteld drie chemische verbindingen mogelijk: moleculair waterstof (H2), metallisch lithium (Li) en lithiumhydride (LiH). Veel te weinig voor welke vorm van op chemie gebaseerd leven dan ook.

De vele sterexplosies maken het centrum van de Melkweg weinig gastvrij voor complex leven, maar eencelligen zouden zich er prima thuisvoelen. Bron/copyright: dailygalaxy.com

Leven kan alleen ontstaan als zich koolstof, zuurstof en stikstof hebben gevormd. Deze zijn ontstaan na supernova’s, die in het dichte centrum van de Melkweg veel meer, en ook al eerder, voorkwamen dan in de spiraalarmen. De omstandigheden voor het ontstaan van leven waren daar dus al miljarden jaren eerder aanwezig dan hier in de periferie. De kernen van zeer ver weg gelegen sterrenstelsels, waarvan het licht van vlak na het ontstaan van het heelal dateert, laten reeds grote hoeveelheden zwaardere elementen zien, meer zelfs dan die van de zon (!) [1]. Er was dus erg veel gelegenheid voor het leven om zich in deze omgeving te vormen.

Sterexplosies te overleven door bacteriën
Door sommige auteurs is het galactische centrum een onwaarschijnlijke plaats voor het ontstaan van complex leven genoemd, juist door deze veel optredende dodelijke sterexplosies[2]. Eenvoudige levensvormen zoals bacteriën worden echter effectief beschermd door een dikke laag water, die op oceaanwerelden en ijsplaneten overvloedig aanwezig is. Op aarde komen bacteriën in de aardkorst, zo lijkt het, voor tot op 20 kilometer diepte[3]. Voor bacteriën ligt het verhaal dus heel anders. De oudste aangetroffen sporen van leven op aarde zijn van prokaryoten, eencellige organismen zonder celkern. Deze kunnen, zo weten we, uitstekend overleven op een aardachtige planeet of ijsplaneet in het galactische centrum.

Zwerfsterren als uitzaaiers van leven
Naar we nu weten, worden er zeer grote hoeveelheden sterren uit de Melkweg geslingerd. Volgens sommige schattingen bevinden er zich zelfs meer sterren in de intergalactische ruimte dan in sterrenstelsels.
Sommige sterren die rond het zwarte gat in het centrum van de Melkweg roteren, zoals de ster S2, bereiken relativistische snelheden van (bij S2) 1,67 procent de lichtsnelheid. Voldoende om te ontsnappen aan het zwaartekrachtsveld van de Melkweg en zeker voldoende om bijvoorbeeld het gebied van de Zon te bereiken, gesteld dat er een mechanisme bestond waarmee ze zich uit het zwaartekrachtsveld van dit zwarte gat konden bevrijden. Astronomen Loeb and Guillochon denken een dergelijk mechanisme gevonden te hebben[4]. De Melkweg slokt voortdurend kleinere sterrenstelsels op. Als het centrale zwarte gat dat van de Melkweg ontmoet, worden de omloopbanen van de sterren die hierom heen draaien instabiel. Deze worden dan soms weggeslingerd met snelheden die tot tientallen procenten van de lichtsnelheid kunnen bedragen. Je kan zelf dit effect waarnemen, als je in een zwaartekrachtssimulator, bijvoorbeeld deze, twee sterren met elk een planetenstelsel elkaar laat naderen.
Deze sterren zijn ook waar te nemen in de intergalactische ruimte, als ze het einde van hun bestaan in de Hoofdreeks naderen en, uitgeput, veranderen in rode reus [5].
Hiermee wordt het in principe mogelijk, dat sterren van het ene sterrenstelsel naar het andere reizen, met in hun kielzog een zwerm ijzige brokstukken die mogelijk leven herbergen. Een interessante theorie. Zou het leven afkomstig kunnen zijn van buiten de Melkweg?

Bronnen
1. Y. Juarez et al., The metallicity of the most distant quasars, A&A 494, L25-L28 (2009), DOI: 10.1051/0004-6361:200811415
2. CHarles H. Lineweaver et al., The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way, gepubliceerd in Science (2004)
3. Philippa S. Stoddard et al., Light carbon stable isotopes in aragonite veins, Lopez Island, WA: evidence for deep life?, Geological Society of America Annual Proceeding, 2014
4. James Guillochon en Abraham Loeb, The Fastest Unbound Stars in the Universe, ArXiv preprint server (2014)
5. James Guillochon en Abraham Loeb, Observational Cosmology With Semi-Relativistic Stars, ArXiv preprint server (2014)


Lees ook:

Is het zonnestelsel afkomstig uit het centrum van de Melkweg?
Zwerfsterren in intergalactische ruimte gevonden
Kosmische oceaan ontdekt

‘Andromedastelsel ramde tien miljard jaar geleden in Melkweg’

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 a 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

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

Het Interplanetair Transport Netwerk: ruimtereizen zonder energie

Erg snel gaat reizen via het Interplanetair Transport Netwerk niet, maar daar staat dan tegenover, dat er bijna geen energie nodig is om vracht van de ene planeet naar de andere te vervoeren. Is dit netwerk de oplossing om de duizenden miljarden tonnen metalen in de asteroïdengordel te ontginnen?

De Interplanetaire Snelweg bespaart zeer veel brandstof. Kunnen we hiermee het zonnestelsel ontginnen?

Weinig massa, maar wel makkelijk te ontginnen
Erg veel materiaal bevindt zich niet in de asteroïdengordel: ongeveer vier procent van de massa van de Maan. De voornaamste reden dat ruimtemijnbouwbedrijven-in-spé toch likkebaardend naar de asteroïdengordel kijken is dat de metaalconcentratie in bepaalde brokken extreem hoog is en de metalen ook gemakkelijk te bereiken zijn.

Mercurius, bijvoorbeeld, bestaat voor bijna de helft uit massief metaal, maar om bij dit metaal te komen moeten mijnbouwers door duizenden kilometers rots heen boren. Dat hoeft bij asteroïden niet: de meeste zijn kleiner dan een kilometer en zouden dus in hun geheel verwerkt kunnen worden. Ook zijn veel asteroïden losjes samenhangende groepjes stenen, ‘rubble piles’, wat mijnbouw nog veel eenvoudiger zou maken.

Het transportprobleem
Het voornaamste probleem is en blijft de brokken metaal met zo min mogelijk energie richting aarde te vervoeren. Raketten nemen doorgaans maar een paar procent van hun massa aan nuttige lading mee. De rest is raketbrandstof. Dat is niet voor niets: om bijvoorbeeld  de aarde te verlaten moet een projectiel een snelheid bereiken van 11,2 km per seconde. Dat geldt ook voor afdalende raketten: in vrije val branden ze op, of slaan ze te pletter.  Ook voor ladingen metaal uit de asteroïdengordel is er dit delta-v probleem: de gordel bevindt zich veel verder van de zon dan de aarde, waardoor ze veel meer potentiële zwaartekrachtsenergie dragen. De ladingen moeten daarom met vele kilometers per seconde afgeremd worden, wat enorm veel brandstof kost. Brandstof die ook weer meegesleept moet worden.

Lagrangepunten
Gelukkig is er goed nieuws. Er blijken complexe, steeds wisselende routes tussen de planeten te bestaan die vrijwel zonder brandstof bereisd kunnen worden. Een essentiële rol in deze brandstofbesparende routes spelen de Lagrangepunten. Dit zijn punten waarop de zwaartekracht van de zon en een planeet (of een planeet en haar maan) elkaar opheffen. De brandstofbesparende routes draaien vaak enkele malen rond de Lagrangepunten, voor een ruimtevaartuig een reis naar een andere bestemming maakt.

NASA maakte al gebruik van het interplanetaire transportnetwerk om de ruimtesonde Genesis monsters van de zonnewind terug naar aarde te laten nemen. Hierbij ging het om een reis in het aarde-maan stelsel, maar in principe kunnen ook ruimtereizen naar  Mars of verder via  het systeem worden gemaakt. De grap hierbij is tussen de Lagrangepunten heen en weer te reizen. Zo is een snelheid van 13 meter per seconde, die van een snelle wedstrijdfietser, al voldoende om van het lunaire Lagrangepunt 1 (waar de zwaartekracht van aarde en maan elkaar opheffen) naar het zon-aarde Lagrangepunt 3 te reizen (het punt achter de aarde waar de snel zwakker wordende zwaartekracht van de aarde die van de zon evenaart). Dit kost vrijwel geen brandstof.

Een vergelijkbare techniek is te gebruiken om naar bijvoorbeeld Mars of Jupiter te reizen. Wel is hier veel meer delta v nodig dan in deze situatie, maar vooral bij reizen naar JUpitermanen

Verspreidde het leven zich via de Interplanetaire Snelweg?
De lage energie waarmee meteorieten door dit netwerk kunnen reizen, betekent dat het ook een plausibele route vormt voor brokstukken aarde met daarop levende lading om heelhuids en passief de reis naar een andere planeet of maan te kunnen maken. Helaas ook voor rampasteroïden. Het scenario gaat dan als volgt. Bij een inslag door een asteroïde worden ontelbare brokstukken de ruimte in geslingerd. Enkele komen in de buurt van de Lagrangepunten terecht en worden via het Interplanetaire Transportnetwerk met relatief lage snelheid naar de Lagrangepunten van andere planeten of manen gevoerd. Zo zouden fragmenten heelhuids in een voor leven gastvrijere omgeving – bijvoorbeeld op Mars of de ijsmanen Europa en Enceladus – terecht kunnen komen.

Bron
Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler, NASA/JPL, 2002
Lagrange and the Interplanetary Superhighway, Plus Maths Magazine (2011)

Video: reis door een wormtunnel

Een reis door een wormtunnel belooft de ervaring van je leven te worden. Als je het overleeft tenminste, want reken op een verzengende hoeveelheid straling. Zo zie je de complete toekomst van dit heelal en de plaats waar je heengaat voor je. In deze video een uitgewerkte spectaculaire animatie van een reis naar het onbekende.

Het mooiste: als je op de plaats van bestemming bent aangekomen ken je ook de verre toekomst. Je weet dus meer dan alle bewoners van het heelal. Reden voor fatalisme?

Lees ook:
Door een wormgat naar het Andromedastelsel

Zwaartekrachtsanomalie vlakbij de aarde gevonden

Ruimtevaartuigen die met een flyby manoeuvre snelheid maken, blijken steeds iets teveel snelheid te hebben. Dit niet in een verre uithoek van het zonnestelsel, maar in de buurt van onze knusse derde rots vanaf de zon. UFO’s met trekstralen, bermudadriehoeken of donkere materie? Wat is er aan de hand?

Wat voor geheimzinnige invloed houdt zich schuil in de ruimte rond de aarde?

Raadselachtige versnelling
De natuurkunde zoals we die nu kennen, begon in feite met Newtons zwaartekrachtwetten. Deze zijn tegenwoordig vervangen door Einstein’s algemene relativiteitstheorie, waarvan de zwaartekrachtstheorie van Newton bij lage snelheden een benadering is. Na meer dan vier eeuwen onderzoek zou je verwachten dat de verrassingen er wel uit zijn. Integendeel, zo blijkt. Satellieten blijken namelijk door een nog opgehelderde oorzaak een paar millimeter per seconde sneller te vliegen als ze van de aarde wegvliegen. Zo kreeg de Jupitersonde Galileo in 1990 een extra zetje van 4 mm per seconde. 1998 vloog NASA-satelliet NEAR zelfs 18 mm per seconde sneller. Het volgende jaar ging ook Cassini iets sneller, al was het niet veel: 0,11 mm per seconde. Ook de Rosetta sonde van 1999 werd versneld (2 mm/s).

Bermudadriehoek of toch maar frame dragging?
Klaarblijkelijk is er een mysterieuze invloed die deze satellieten een extra boost geeft. Fysicus Stephen Adler houdt het op een wolk donkere materie[1]. Collega Jan-Paul Mbelek, vermoedt dat het gaat om een effect uit de speciale relativiteitstheorie[2]. De draaiende aarde sleept volgens Mbelek de satellieten mee. Wat ook de oorzaak is, feit is dat hier een raadselachtig fenomeen vrijwel op onze kosmische deurmat ligt. We moeten over veel systematisch verzamelde gegevens beschikken om verschillende verklaringen te kunnen toetsen. Zeer vervelend is dat juist op het moment dat de satellieten de aarde het dichtste naderen en het fenomeen zich voordoet, er radiostilte is. Mede om die reden is het fenomeen nog steeds niet opgehelderd.

Meeliften met Galileo
Orfeo Bartolami van de universiteit van Porto heeft een oplossing bedacht: meeliften met Galileo, het Europese GPS systeem. Bijna iedereen in de wereld maakt gebruik van GPS via de satellieten van het Amerikaanse leger. De Amerikanen kunnen in bedreigende situaties de precisie van het GPS signaal verminderen of zelfs uitschakelen. Een akelig idee, want met die Amerikanen weet je het maar nooit, vinden de Europeanen, dus hebben ze hun alternatieve systeem Galileo ontwikkeld. Bartolami’s plan: monteer een zeer nauwkeurige zender op een microsatellietje of op een satelliet die toch al een steile snoekduik richting aardbol maakt, en de kosmische Bermudadriehoek kan op heterdaad worden betrapt. Dit kan voor vijftien miljoen dollar of minder[3]. Een koopje in ruimtevaartkringen. Bartolami – en zijn collega’s in het zwaartekrachtsonderzoek-wereldje – hopen nu dat de Galileo directie kan worden overgehaald hun project te combineren met een wetenschappelijk prestigerijk experiment.

Bronnen
1. Stephen Adler, Can the Flyby Anomaly be Attributed to Earth-bound Dark Matter, Arxiv.org (2008)
2. Jean-Paul Mbelek, Special Relativity May Account for the Spacecraft Flyby, arxiv.org (2009)
3. Orfeu Bartolami, Probing The Flyby Anomaly With The Galileo Constellation, arxiv.org (2011)

Voorbij Einstein: kern zon als zwaartekrachtsdetector

Hoe kunnen we ontdekken of Einsteins zwaartekrachtstheorie ook in zeer zware hemellichamen opgaat? Antwoord: door de zon als natuurlijke zwaartekrachtsdetector te gebruiken, stelt fysicus Castanella voor. Kunnen we zo twee vliegen in één klap slaan?

Algemene relativiteitstheorie niet volmaakt
Einsteins algemene relativiteitstheorie is een van de twee hoekstenen van de moderne natuurkunde. Toch zijn er met algemene relativiteit wat vervelende dingen aan de hand. Zo is het lastig om het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica op te lossen.

De zon, volgens neutrinotelescoop Super-Kamiokande. Duidelijk is te zien dat bijna alle kernfusie in de kern plaatsvindt. Bron: NASA

Er zijn ook enkele minder algemeen bekende problemen. Einsteins vergelijkingen vertellen ons over de zwaartekracht in het luchtledig op enige afstand van een massief hemellichaam. Maar hoe gedraagt zwaartekracht zich in een zeer zwaar object zoals de zon of een neutronenster? In een zwak zwaartekrachtsveld, zoals dat van de aarde, is er weinig aan de hand. De zwaartekrachtsvergelijkingen reduceren tot de klassieke zwaartekrachtstheorie van Newton en die zijn welbekend. Anders wordt het in een  veel sterker veld. Niemand weet precies hoe de vervorming van ruimte-tijd in materie plaatsvindt.

Neutronensterren
Welke invloed de aanwezigheid van materie op een bepaalde plaats precies heeft op een zwaartekrachtsveld op die plaats is een mysterie. Verschillende theoretici hebben aanpassingen aan de zwaartekrachtstheorie voorgesteld die weinig of geen verschil maken voor zwaartekracht in een vacuüm, maar belangrijke implicaties hebben voor zwaartekrachtsvelden in grote, massieve voorwerpen. Dit heeft grote gevolgen voor de manier waarop bijvoorbeeld neutronensterren worden gemodelleerd. Neutronensterren, de bizarre objecten die we kunnen waarnemen als pulsars, hebben de dichtheid van een atoomkern maar de massa van een complete ster, samengeperst in een bol met een doorsnede van iets meer dan tien kilometers. Hun dichtheid is zo extreem groot dat hier afwijkend gedrag van de zwaartekracht in materie een grote rol gaat spelen. De dichtstbijzijnde pulsar staat op honderden lichtjaren afstand, dus er was tot nu toe geen praktische methode om deze metingen uit te voeren.

De zon als gevoelig zwaartekrachtsinstrument
Daar is nu verandering in gekomen. Jordi Casanellas van de Technische Universiteit van Lissabon in Portugal met enkele collega’s hebben ontdekt dat deze kleine veranderingen in de zwaartekrachttheorie invloed hebben op de interne structuur van de zon. En dat laatste heeft weer gevolgen op hoe de zon zich gedraagt, wat we uiteraard kunnen meten.

Op dit moment begrijpen zonnekenners redelijk goed hoe onze ster functioneert. De zon is, zoals alle stabiele sterren, in evenwicht tussen de verpletterende zwaartekracht en de stralingsdruk door de kernfusie van waterstof in helium. In hun modellen wordt een volledig Newtoniaans zwaartekrachtsveld in de zon aangenomen. Elke kleine verandering in de zwaartekrachtstheorie moet volgens de onderzoekers een duidelijk waarneembaar effect hebben. Immers: verandert de sterkte van de zwaartekracht, dan verandert ook de temperatuur van de kern van de zon. Hoe sterker de zwaartekracht, hoe heter de zon moet zijn om voldoende kernfusie op te wekken. En hoe sneller de fusie dus verloopt.

Neutrinotelescoop
Gelukkig is er een manier om rechtstreeks in de kern van de zon te kijken. Er komen bij kernreacties neutrino’s vrij, spookachtige deeltjes die zelfs door een half lichtjaar massief lood kunnen vliegen zonder geabsorbeerd te worden. Een secundaire kernreactie in de zon is de vorming en het weer uiteenvallen van boor-8. Hoe heter de zon, hoe vaker deze kernreactie optreedt en hoe meer neutrino’s voorkomen.

Neutrinotelescopen op aarde (die het meeste weg hebben van een monsterachtig groot vat vloeistof, omringd met deeltjesdetectoren)  hebben nauwkeurig de neutrinoflux van deze reactie  gemeten. Daarom kunnen we sterke beperkingen zetten op de maximale grootte van eventuele afwijkingen van de zwaartekrachtstheorie.

De muziek van de zon
Een andere methode is te letten op de manier waarop de zon trilt. De zon vibreert in allerlei verschillende frequenties, die weer veel informatie opleveren over hoe heet het diep in de zon is en hoe dicht de materie.

Casanellas en zijn collega’s hebben deze bestaande gegevens gebruikt om sterke beperkingen te zetten op de maximale grootte van door koppeling van materie en zwaartekracht veroorzaakte afwijkingen van de zwaartekracht. Helaas zijn de belangrijkste theorieën over gemodificeerde zwaartekracht nog steeds niet uitgesloten door de waarnemingen. Als in de toekomst waarnemingen nauwkeuriger worden, kan dat wel – of ontdekken we totaal nieuwe eigenschappen van de zwaartekracht.

Tijd dus voor een nauwkeuriger zonnesatelliet. Niet alleen kunnen we zo de zon en gevaarlijke zonnestormen beter voorspellen, ook zitten we zo op de eerste rang voor de grootste zwaartekrachtdetector denkbaar. En kunnen we ontdekken of de zwaartekrachtstheorie niet wat aanpassingen nodig heeft.

Bron
J. Casanellas et al., Testing Alternative Theories of Gravity Using the Sun, ArXiv (2011)

‘Verlindes entropische zwaartekrachtstheorie klopt niet, bewijst experiment’

De Nederlandse snaartheoreticus Eric Verlinde denkt dat zwaartekracht een statistisch effect is, een entropische pseudokracht dus. Dit idee trok veel aandacht. Hij werd geëerd met de Spinozaprijs voor zijn revolutionaire theorie.  Helaas voor hem haalt fysicus Kobakhidze hem onderuit met een opmerkelijk stukje natuurkunde.

Zwaartekracht of vervorming van ruimtetijd?
Zwaartekracht is een vreemde eend in de bijt van natuurkrachten. Zo vervormt zwaartekracht de ruimte (nauwkeuriger uitgedrukt: IS zwaartekracht de vervorming in de ruimte die we waarnemen) en bepaalt hiermee het speelterrein van de andere krachten. Er zijn twee grote theorieën in de natuurkunde: Einsteins algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht plus ruimtetijd beschrijft en het Standaardmodel, dat de overige krachten beschrijft door middel van drie kwantumveldtheorieën.

De algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht goed, maar geeft geen antwoord op de vraag wat zwaartekracht precies is.

Erg onbevredigend natuurlijk. Geen wonder dat natuurkundigen, waaronder Einstein zelf, al bijna een eeuw lang op zoek waren en zijn naar manieren om die twee theorieën samen te voegen tot één zogenaamde ‘theorie van alles’ en te verklaren waarom er zoiets als zwaartekracht bestaat. Een van hen is Erik Verlinde. Hij gelooft dat zwaartekracht geen kracht is, maar een entropisch effect is dat alleen maar lijkt op een kracht. Omdat de entropie in het heelal toeneemt, probeert materie zich zo te organiseren dat de entropie maximaal wordt. Het effect van deze herverdeling lijkt op een kracht die we zwaartekracht noemen, aldus Verlinde. Verlinde’s benadering (voor een theorie is het nog te onrijp) biedt een uitweg uit het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en het Standaardmodel, dat op kwantummechanica is gebaseerd. Alleen bij grote aantallen deeltjes treden deze statistische effecten op, aldus Verlinde. Wat ook verklaart waarom op kwantumschaal zwaartekracht nog niet waargenomen is.

Neutronenexperiment
Een interessante benadering, heel wat interessanter dan de door Verlinde en kuddes collega’s zo geliefde snaartheorie. Mede omdat deze theorie, in tegenstelling tot de snaartheorie, door experimenten wél te falsificeren is. En dat is, helaas voor Verlinde, lijkt precies te zijn wat er gebeurd is. Om precies te zijn: door een experiment dat uit is gevoerd toen Verlinde’s idee nog in zijn brein aan het rijpen was. Fysicus Archil Kobakhidze van de Australische universiteit van Melbourne heeft vastgesteld hoe. Hij heeft een uiterst zinnige vraag gesteld: hoe zou het entropische zwaartekrachtseffect van Verlinde kwantumdeeltjes kunnen beïnvloeden? Hij heeft dit model wiskundig geformaliseerd en hier een zwaartekrachtsvergelijking uit afgeleid. Wat heel interessant is: deze vergelijking is een andere dan de conventionele zwaartekrachtsvergelijking. Met andere woorden: met een experiment is te beslechten wie er gelijk heeft. Verlinde of Einstein.

Experiment bewijst: traditionele zwaartekrachtstheorie ook op kwantumniveau geldig
En dat is precies wat er is gebeurd. Natuurkundigen hebben de invloed van zwaartekracht op neutronen al een decennium geleden gemeten. De resultaten van deze metingen – en mogelijk ook van dit Oostenrijkse CERN experiment – komen exact overeen met die van de traditionele zwaartekrachtstheorie van Einstein, aldus Kobakhidze. In zijn woorden: “Experimenten op gravitationeel gebonden staten van neutronen bewijzen ondubbelzinnig dat er geen entropische oorsprong van de zwaartekracht is”.

Hou zouden Verlinde en zijn aanhangers op deze uitdaging reageren?
Lees ook:  Zwaartekracht is gevolg van kwantumverstrengeling.

Bron
Archil Kobakhidze, Once More: Gravity Is Not An Entropic Forc, ArXiv.org (2011) (tip)

‘Zwarte gaten hebben grootte in vaste stappen’

Uit een theoretische analyse blijkt, dat zwarte gaten een doorsnede hebben die uit veelvouden van de Plancklengte bestaat. Hier kunnen we sporen van zien in de LHC-botsingen. En over de LHC gesproken: is die wel veilig, of moeten we ons zorgen maken?

Massa zwarte gaten evenredig aan doorsnede
Zwarte gaten, restanten van ineengestorte sterren waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen, hebben een merkwaardige eigenschap. Hun doorsnede is recht evenredig met hun massa. Een zwart gat van één zonsmassa heeft bijvoorbeeld een doorsnede van drie kilometer, van twee zonsmassa’s van zes kilometer enzovoort. Dus stop je twee keer zo veel massa in een zwart gat, dan wordt het volume acht keer zo groot. Zwarte gaten kunnen ook zeer klein zijn.

Zwarte gaten hebben discrete massa

Het mogelijke uitzicht vanaf een exoplaneet op een zwart gat in het centrum van melkwegstelsel NGC 4261. Bron: NASA

Georgi Dvali  en zijn collega’s van de Ludwig-Maximilians-Universität in het Duitse München hebben nu nog een eigenschap ontdekt. Volgens deze mensen moeten zwarte gaten die zich op kwantumschaal vormen, ook gekwantificeerde massa’s hebben. Met andere woorden: een zwart gat kan alleen een veelvoud van een bepaalde elementaire massa bevatten. Hun redenering is opmerkelijk simpel. Als de massa van een zwart gat niet gekwantificeerd is, kan de massa werkelijk elke waarde aannemen. Als dat het geval zou zijn, zou de productiesnelheid van micro-zwarte gaten oneindig zijn. Ze kunnen zich bij elke botsing en bij elke energie vormen. Omdat dat duidelijk niet het geval is, moeten zwarte gaten gekwantificeerd zijn. Dvali en zijn mede-auteurs denken dat dit veelvouden van de Plancklengte moeten zijn. het is alleen niet duidelijk hoe dit zwarte gaten beïnvloedt die in en uit het bestaan springen.

LHC als bron voor zwarte gaten
Dvali en consorten denken dat micro-zwarte gaten het eerste op zullen duiken in hun laagste kwantumstaat (dus elementaire massa) in de enorme deeltjesversneller LHC in de vorm van een zogeheten kwantumresonantie, wat deeltjesfysici een bobbel in hun data noemen. Dit zou oorspronkelijk moeilijk te onderscheiden zijn van een ‘gewoon’ deeltje, maar hogere-energie experimenten moeten ook zwarte gaten in hogere energietoestanden (m.a.w. met meer massa) opleveren. Op dit moment is er nog geen manier om uit te werken bij welke energie we ze precies zullen waarnemen, aldus de auteurs. Ook blijkt de Plancklengte helemaal niet zo fundamenteel als hiervoor gedacht. Zolang nog niemand een zwart gat met eigen ogen waar heeft genomen, zullen de speculaties nog wel even blijven.

Is het LHC veilig?
Sommigen speculeren dat het LHC wel eens niet veilig zou kunnen zijn. Weliswaar voorspelde Hawking dat zwarte gaten uiteenvallen door het uitzenden van straling omdat ze een temperatuur hebben, maar experimenteel bewijs hiervoor ontbreekt vooralsnog. Sterker nog: we nemen raadselachtige kosmische straling waar die meer dan een miljoen maal zo krachtig is als zelfs de LHC kan produceren. Als iets een zwart gat is, dan zou dat het wel moeten zijn. Was er inderdaad wat gebeurd, dan hadden we dat ook snel gemerkt. Bijvoorbeeld omdat we op een dag wakker worden terwijl de aarde om ons heen verdwenen is…

Bronnen
1. Gia Dvali, Cesar Gomez, Slava Mukhanov, Black Hole Masses are Quantized, ArXiv, 2011
2. Black Hole Mass Must Be Quantized, Say Physicists, MIT Technology Review Arxiv Blog, 2011

Dutch