zwart gat

‘Centrum melkweg veroorzaakte röntgenflits in Renaissance’

3 reacties / Universum, Wereld, Wetenschap / Door / 14 september 2011

Merkwaardige röntgenbronnen in de buurt van het centrale zwarte gat in het Melkwegstelsel kunnen alleen worden verklaard, door aan te nemen dat het hier om een soort ‘echo’  gaat. Zou dit misschien ook de Kleine IJstijd veroorzaakt kunnen hebben?
Het patroon waarop de wolken opflitsen lijkt te wijzen op een uitbarsting gedurende de Renaissance
Raadselachtige röntgenbronnen
Al meer dan tien jaar bestuderen astronomen verschillende raadselachtige bronnen van röntgenstraling in de buurt van het centrum van de Melkweg. De röntgenstraling is een raadsel, want het gas in de wolken waar deze door uitgezonden wordt is niet heet genoeg om röntgenstraling uit te zenden. Astrofysici staan dan ook voor een raadsel. Eén van de ideeën die nader worden onderzocht is dat de röntgenstraling een echo vormt van een eerdere, krachtiger bron die eerder is uitgebarsten. Inderdaad ontdekten onderzoekers dat het patroon waarop de bronnen opvlammen doet vermoeden dat het hier gaat om de echo’s van één krachtige bron, en zo zijn er meer aanwijzingen.

Er zijn meerdere processen die deze felle röntgenstraling op kunnen wekken. Zo zijn er dubbelsterren, bestaande uit een ‘normale’ ster en een compacte witte dwerg of neutronenster die gas van de ‘normale’ ster opslurpt. Hierbij komt extreem felle röntgenstraling vrij. Bij een dergelijke energieuitbarsting kan tot 1028 W vrijkomen. Dat is per seconde voldoende om de aarde van 3000 jaar zonlicht te voorzien. Bleek de intensiteit van de uitbarsting veel groter, dan is er maar één mogelijke verklaring: een uitbarsting van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg zelf: Sagittarius A*.

Dader betrapt: Sagittarius A*
Masayoshi Nobukawa enm zijn collega’s aan de Kyoto Universiteit in Japan hebben het eerste ondubbelzinnige bewijs gevonden dat Sgr A* inderdaad verantwoordelijk is voor de uitbarstingen. Ze hebben met behulp van de Suzaku röntgensatelliet de intensiteit van de röntgenstraling van diverse wolken gemeten. Ze ontdekten iets interessants: de röntgenstraling van de wolken vertoont dezelfde afnamecurve, zij het dat deze onderling een paar jaar verschoven zijn. De meest logische verklaring: deze wolken zijn door dezelfde röntgenflits beschenen. Door het verschil in afstand zien wij verschillen van enkele jaren tussen verschillende wolken.

Ook berekenden Nobukawa en zijn collega’s dat bij deze uitbarsting 1032 watt vrijkwam: het vermogen van ongeveer honderdduizend zonnen, afgegeven in meerdere eeuwen. Dit is veel te veel om door een enkele ster of dubbelsterren veroorzaakt te zijn. De conclusie: Sagittarius A* moet verantwoordelijk zijn. Deze wolken bevinden zich op ‘slechts’ enkele honderden lichtjaar van Sgr A*, dus moet de uitbarsting de aarde van de veertiende eeuw tot de zeventiende eeuw in röntgenstraling hebben gebaad.

In de toekomst weer een uitbarsting?
Astronomen nemen nu waar dat Sgr A* röntgenstraling met een intensiteit van 1027 W uitstraalt en voortdurend kleine opvlammingen vertoont. Het is dus niet onlogisch, te veronderstellen dat wat in het verleden gebeurd is, zich ook in de nabije toekomst zal herhalen. maar zelfs als dat gebeurt, zullen we alleen indirect via echo’s kunnen waarnemen wat er precies gebeurt. We kunnen Sgr A* namelijk slecht rechtstreeks waarnemen.

Kleine IJstijd veroorzaakt door Sgr A* ?
Ongeveer in deze tijd, van halverwege de zestiende eeuw tot halverwege de negentiende eeuw, daalden de temperaturen op het noordelijk halfrond sterk. Uit deze tijd dateren de bekende schilderijen van oud-Hollandse meesters met wintertaferelen. De grote rivieren vroren geregeld dicht.Volgens een theorie van de Deense klimaatscepticus Henrik Svensmark is kosmische straling verantwoordelijk voor het vormen van wolken. Als een geladen kosmisch deeltje de atmosfeer raakt, worden her en der in zijn pad moleculen geïoniseerd, d.w.z. gestript van één of meerdere elektronen. Deze geladen deeltjes vormen een ideale aanhechtingsplaats voor watermoleculen, waardoor kleine mistdruppeltjes ontstaan en een wolk wordt gevormd. Geen onlogische theorie: zo werkt een nevelvat met oververzadigde damp immers ook. Wolken weerkaatsen veel zonlicht – kijk voor de grap eens naar beneden als je weer in een vliegtuig zit – dus zorgen voor afkoeling.

Als de aarde in een gigantische röntgenvloed werd gebaad, moet dat (als de omstreden theorie van Svensmark klopt) tot veel wolkenvorming, dus een flinke afkoeling hebben geleid. Precies wat er tijdens de Kleine IJstijd in het noordelijk halfrond is gebeurd. Röntgenstraling bestaat weliswaar uit fotonen en niet uit geladen deeltjes, maar is wel krachtig genoeg om elektronen los te slaan uit moleculen en wordt dan ook eveneens tot de ioniserende straling gerekend.

Een probleem met deze verklaring is de time lapse van twee eeuwen. Wel ligt Sgr A* in het sterrenbeeld Boogschutter, dat precies in de wintermaanden overdag boven de horizon staat. Als door de straling van Sgr A* overdag de wolkenvorming werd vergroot, zal dat de ernst van de winters sterk hebben vergroot. Misschien was sprake van een naijleffect, waarbij de vroege wolkenvorming en afkoeling nog werd gecompenseerd door het immense aardse warmtereservoir. Of kwam bij de uitbarsting ook andere kosmische straling vrij, bijvoorbeeld muonen, die massa hebben en iets langzamer dan de lichtsnelheid reizen.

Bronnen
1. M. Nobukara et al., New Evidence For High Activity Of The Super-Massive Black Hole In Our Galaxy, Arxiv.org (2011)
2. Milky Way’s Black Hole Flared During The Renaissance, Say Astronomers, MIT Technology Review ArXiv Blog (2011)

Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.

Heeft het heelal extra dimensies? Snaartheorie getest

8 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 22 augustus 2011

Ontsnappen aan een zwart gat is uitermate ingewikkeld, om maar een stevig understatement te gebruiken. Toch is er misschien een mogelijkheid. Als het universum extra dimensies heeft,  zou dat moeten blijken uit het gedrag van pulsars, rondtollende neutronensterren.

Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.
Pulsars zijn de extreem snel ronddraaiende overblijfselen van uitgebrande zware sterren. We nemen ze waar als de bundel van straling over de aarde 'zwiept'.

Volgens de snaartheorie, omstreden maar erg populair onder veel natuurkundigen, zijn er extra ruimtelijke dimensies naast de drie die we in ons dagelijks leven kunnen waarnemen. De snaartheorie is in tegenstelling tot de nu gesneuvelde loop quantum gravity echter tot nu toe onmogelijk te testen, reden voor o.m. fysicus Lee Smolin de snaartheorie als onwetenschappelijk af te doen, ‘not even wrong’.

Snaargoeroe John Simonetti van Virginia Tech in Blacksburg en zijn collega’s zeggen nu echter dat zwarte gaten waar neutronensterren omheen draaien precies dat kunnen doen – als we tenminste een dergelijk bizar paar vinden. Volgens Simonetti produceert het heelal proefopstellingen die we op aarde onmogelijk kunnen realiseren.  Zwarte gaten verdampen volgens Stephen Hawking langzaam. Zonder extra dimensies moet dit proces extreem langzaam verlopen voor grote zwarte gaten van enkele zonsmassa’s of meer.

Extra dimensies zouden de deeltjes echter meer manieren moeten geven om te ontsnappen, wat het verdampingsproces zou versnellen. Het effect hiervan is dat zwarte gaten snel gewicht verliezen en neutronenstrerren elk jaar enkele meters van het centrale zwarte gat verwijderd raken. Dat is te meten. Rondtollende neutronensterren, pulsars, zijn namelijk extreem nauwkeurige ‘klokken’. De vuurtorenachtige pulsen van neutronensterren variëren namelijk een beetje, afhankelijk van de grootte van de baan van de neutronenster.

Bron
The Astrophysical Journal, DOI: 10.1088/2041-8205/737/2/l28

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

‘Vorig universum bestond uit antimaterie’

6 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 20 juli 2011

Als materie en antimaterie elkaar afstoten, kan de snelle omzetting van materie in antimaterie in een superzwaar zwart gat er precies uitzien als een Big Bang. Verklaart deze bizarre theorie de raadselachtige inflatie?

Big Crunch
Stel, op een gegeven moment houdt het universum op met uitzetten en begint weer in zichzelf  te storten. Kortom: het Big Crunch scenario. Daar lijkt het overigens niet erg op, het heelal zet juist steeds sneller en sneller uit.  Uiteindelijk wordt het heelal dan een superzwaar zwart gat. De extreme massa van het zwarte gat produceert een extreem sterk zwaartekrachtsveld. Door een zwaartekrachtsversie van het zogeheten Schwinger mechanisme, conmverteert dit zwaartekrachtsveld virtuele deeltjes-antideeltjesparen in echte deeltjesparen. Als het zwarte gat gemaakt is van materie (of juist antimaterie) kan het vol geweld  in een fractie van een seconde, onafzienbare hoeveelheden antideeltjes (resp. deeltjes) uitstoten. De uitbarsting zou veel weg hebben van een Big Bang.

Wat is het Schwinger mechanisme?
Het Schwinger mechanisme,  ontdekt door de vooraanstaande fysicus Julian Schwinger, komt er op neer dat door een extreem sterk elektrisch veld, het vacuüm uiteen wordt getrokken in deeltjes en antideeltjes. Materie uit het “niets” dus. Deze deeltjes hebben onderling een omgekeerde lading, zodat de paren uit elkaar worden getrokken voor de deeltjes elkaar kunnen vernietigen. Het veld valt dus uiteen in een vloedgolf van deeltjes. De deeltjes worden met een vaste snelheid geproduceerd, alleen afhankelijk van de veldsterkte. Check deze Powerpoint presentatie voor meer info. Schwingers artikel is meer dan vijfduizend maal geciteerd.  Desondanks is het Schwinger effect pas onlangs in een experiment aangetoond [1].

 

Big Bang door antimaterie-afstoting?

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?
Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

De Montenegrijnse natuurkundige Dragan Slavkov Hajdukovic die nu aan het CERN in het Zwitserse Genève werkt,  benadrukt dat hij geen idee heeft of die scenario inderdaad 13,7 miljard jaar geleden plaats heeft gevonden – de vermoedelijke geboortedag van het heelal. In een recent artikel in Astrophysics and Space Science[1], beschreef hij een mechanisme dat materie in antimaterie kan omzetten (en andersom). Het gevolg is een cyclisch universum dat beurtelings wordt beheerst door materie of antimaterie. Het ineenstorten van een materie-gedomineerd universum leidt tot een antimaterie-gedomineerd heelal enzovoort.

Hij denkt dat extreme zwaartekracht dezelfde effecten kan hebben als een extreem sterk elektromagnetisch veld, dus ook deeltjes uit het niets tevoorschijn kan toveren. Hierbij gaat hij overigens voorbij aan het feit dat zwaartekrachtsenergie negatief is. Er is nog een discutabel punt: hij gaat er vanuit dat materie en antimaterie elkaar afstoten. Deze afstoting kan ontstaan uit zwaartekracht (antimaterie zou dan antizwaartekracht uitoefenen) of een niet-zwaartekrachtsgerelateerde oorsprong hebben. Hajducovic denkt aan een afstoting tussen materie en antimaterie die alleen op zeer korte afstand werkt.

Zodra het zwarte gat zich gevormd heeft (d.w.z. op het moment dat er een waarnemingshorizon is ontstaan) zou het gravitationele Schwinger-effect een enorme explosie van materie veroorzaken die het zwarte gat uitstroomt. Dat zou dus op dit punt het karakter hebben van een wit gat. Het gevolg: in de praktijk wordt zo materie in een fractie van een seconde omgezet in antimaterie (of andersom). Hajducovic berekende dat er een onvoorstelbare 10128 kg omgezet kan worden, verschillende ordes van grootte meer dan de totale massa in het universum. Dat ook in een extreem korte tijd: korter dan de door veel theoretici als fundamenteel beschouwde Plancktijd.

Dit scenario heeft twee implicaties. Ten eerste wordt het universum nooit kleiner dan een paar kilometer. De afmeting van het universum na de kosmische inflatie, nu net het meest problematische deel van de kosmologie. Ook geeft dit scenario een  simpele verklaring voor het verschil tussen materie en antimaterie. Er is nu een overmaat aan materie omdat er in het vorige universum een overmaat aan antimaterie was. Net zoals het volgende universum uit antimaterie zal bestaan.

Donkere energie en donkere materie niet meer nodig

Hajducovic wijst erop dat het belangrijk is alternatieven voor de bestaande theorieën te onderzoeken. Zo verklaart het gevierde Standaardmodel en Einsteins algemene relativiteitstheorie donkere materie en donkere energie niet. Samen vormen deze meer dan 95% van het universum. Ook is er volgens hem geen simpel mechanisme dat inflatie verklaart. Hier ben ik het overigens niet mee eens. Kortom: meer hypotheses dan beproefde theorieën. Erg onbevredigend. Hajducovic’s theorie doet daarentegen geen beroep op exotische natuurkunde (afgezien dan van het gravitationele Schwinger-effect, wat me persoonlijk erg onwaarschijnlijk lijkt omdat er deeltjes uit negatieve energie ontstaan, en de al even intuïtief moeilijk verdedigbare zwaartekrachtsafstoting tussen materie en antimaterie. Immers, de energie waar materie en antimaterie uit ontstaan, oefent een positieve zwaartekracht uit. Wel is het uiteraard in theorie mogelijk dat er een ander afstotingseffect bestaat, zoiets als het Pauliverbod (al is ook dat nogal vergezocht).

Hajducovic gaat verder: zo denkt hij dat zwaartekracht leidt tot kwantumpolarisatie van het vacuüm en daardoor tot donkere materie. [3] Hij claimt een opmerkelijke overeenkomst tussen gemeten donkere materie en de voorspellingen van zijn theorie.

Theorie getest

Hij denkt ook dat het mogelijk is om een van zijn uitgangspunten, dat antimaterie wordt afgestoten door zwaartekracht, te toetsen in een experiment. Precies dat gebeurt nu iop het CERN waar hij nu werkt. Het AEGIS-experiment stelt vast of antiwaterstof opstijgt of juist daalt onder invloed van de aardse zwaartekracht. Een andere test komt van de  Ice Cube Neutrino Telescope op Antarctica, die antineutrino’s van de reusachtige zwarte gaten in het centrum van de Melkweg en dat van onze buur, het Andromedastelsel.Een ding is in ieder geval zeker. Als Hajducovic het bij het rechte eind heeft, zullen de gevolgen op de natuurkunde – en dus uiteindelijk op onze maatschappij – groot zijn.

Bronnen
1. Kirk T. McDonald, Positron production by laser light, Princeton dept. of High energy Physics, 1997
2. Dragan Slavkov Hajdukovic. “Do we live in the universe successively dominated by matter and antimatter?” Astrophys Space Sci (2011)
3. Dragan Slavkov Hajdukovic, Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum? Astrophysic Space Science, (2011)

Zijn deze raadselachtige Fermibellen de doodskreet van een ander melkwegstelsel? Bron: NASA

Kannibalisme: Melkweg slokte tien miljoen jaar geleden melkweg met zwart gat op

6 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 19 juli 2011

De Melkweg ziet eruit als een mooie, kalme schijf van sterren, maar schijn bedriegt. In het hart van de Melkweg bevindt zich een superzwaar zwart gat. Naar nu blijkt, moet dit zwarte gat ongeveer tien miljoen jaar geleden de kern van een klein melkwegstelsel opgeslokt hebben. Er zijn inderdaad sporen van recent kannibalisme.

Forensisch bewijs

Zijn deze raadselachtige Fermibellen de doodskreet van een ander melkwegstelsel? Bron: NASA
Zijn deze raadselachtige Fermibellen de doodskreet van een ander melkwegstelsel? Bron: NASA

Om te beginnen is er de recente ontdekking van twee reusachtige bellen gammastraling uitzendend gas, ongeveer 60 000 lichtjaar ten noorden en ten zuiden van het galactisch centrum. Niemand weet tot nu toe wat deze enorme “Fermi Bellen”, veroorzaakte. Ze hebben echter vel weg van het type jets dat door actieve melkwegkernen wordt uitgestoten.

Dan is er een raadselachtige heftige stervorm,ing aan de gang vlak bij het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. In theorie moet de enorme zwaartekracht gaswolken uit elkaar trekken, maar in werkelijkheid bevinden zich in het centrum van de Melkweg drie enorme gaswolken waarin tienduizenden sterren worden geboren. En er is nog wat raars aan de hand: in het centrum zijn er nauwelijks oude sterren. Vreemd, want elders in de Melkweg is het daarvan vergeven.

Verder is er een mysterieuze fluorescerende gloed van ijzerionen in een gaswolk vlakbij ‘ons’ zwarte gat. Vrijwel zeker een echo van felle gammastraling die enkele honderden jaren geleden – gezien vanaf de aarde – vrijkwam. Enkele eeuwen geleden was het centrum dus veel actiever dan nu.

Galactisch drama
Meagan Lang van Vanderbilt University in Nashville, Tennessee en een aantal collega’s zeggen dat ze de verklaring hebben: galactisch kannibalisme. Een klein dwergstelsel is opgeslokt door de melkweg, tegelijkertijd met het centrale zwarte gat van tienduizend zonsmassa’s. Groot, maar slechts een duizendste van de grootte van ons “eigen” zwarte gat. Bij zijn noodlottige val slingerde dit zwarte gat de meeste oudere sterren uit de buurt van ‘ons’ zwarte gat.  Het meeste gas en stof werd opgeslokt door ons zwarte gat – waardoor er de twee Fermi-bellen van gammastraling ontstonden. De rest van het stof werd een turbulente draaikolk, perfecte omstandigheden voor een geboortegolf van sterren.

Volgens Lang en collega’s moet de samenvoeging miljarden jaren geleden al begonnen zijn. De slotakte, waarbij het andere zwarte gat uiteindelijk werd opgeslokt door ons eigen, vond ongeveer tien miljoen jaar geleden plaats. Dit met werkelijk een enorm spektakel hebben opgeleverd voor radio-astronomen en dergelijke. De theorie is nog niet geheel bewezen. Er zijn ook andere verklaringen denkbaar. Al is deze verklaring behoorlijk  overtuigend.

Bron:
Lang et al., Can A Satellite Galaxy Merger Explain The Active Past Of The Galactic Center? – Arxiv.org [2011]

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

‘Inslag primordiale zwarte gaten in zon waarneembaar’

13 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 25 november 2021

Twee natuurkundigen hebben een manier bedacht om de spookachtige mini-zwarte gaten toch waar te kunnen nemen. Gebruik de zon als een enorme zwarte-gat detector.

Zwerven er ontelbare mini-zwarte gaten door het heelal?

Astronomen hebben tot nu toe twee types zwarte gaten waargenomen: superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels en zwartegaten van enkele zonsmassa’s, die vormen als reuzensterren sterven. Er is echter geen reden waarom zwarte gaten van kleinere groottes zich niet kunnen vormen. Volgens veel astronomen leiden de variaties in dichtheid in het vroege heelal vanzelf tot de vorming van relatief kleine zwarte gaten.

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.
Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

De kleinste zwarte gaten, zouden nu zijn verdampt. Grotere zwarte gaten met de massa van een asteroïde zouden het tot nu toe nog overleefd kunnen hebben. De vraag is: hoe vinden we ze. Diverse theoretici hebben voorgesteld op hun lenseffect te letten (massieve objecten, zoals zwarte gaten, buigen ruimtetijd om hen heen,  waardoor ze werken als zwaartekrachtslens, wat te merken is als er bijvoorbeeld een ster wordt verduisterd). Ook de gamma-uitbarstingen die ontstaan als de zwarte gaten uiteenvallen, zijn detecteerbaar. Geen van deze methoden heeft tot nu toe echter definitief bewijs opgeleverd.

De zon als zwart gat-detector

Michael Kesden van New York University en Shravan Hasanoge van Princeton Universiteit in New Jersey hebben nu een andere methode bedacht. Gebruik de zon als zwarte-gat detector. Volgens hen is het effect van een oer-zwarte gat dat inslaat in de zon gemakkelijk waarneembaar.

Een dergelijke gebeurtenis betekent niet dat de zon wordt opgeslokt en we zullen bibberen van de kou. In feite is de kans veel groter dan een oer-zwarte gat met een massa van een asteroïde of komeet dwars door de zon heen zal vliegen, waarbij een kleine uitbarsting van röntgenstraling plaatsvindt. Een dergelijke uitbarsting zou zelfs nog kleiner zijn dan de achtergrondstraling van zonne-röntgenstraling, dus onmogelijk door astronomen waargenomen kunnen worden. Echter: de botsing levert ook een supersonische verstoring op die de zon zal laten rinkelen als een bel. Zwarte gaten worden immers niet afgeremd in het gas van de zon en verdampen niet.

Beide heren hebben in dit artikel berekend hoe deze turbulenties er uit uit zouden zien. Hun conclusie is dat deze turbulenties nu al waarneembaar zijn als een vorm van zonnehik. Mogelijk hebben we dit allang waargenomen zonder dat onderzoekers beseften wat het was.

Zonneonderzoekers zullen nu waarschijnlijk als bezetenen hun data gaan controleren en vaststellen of inderdaad tekenen van deze zwarte-gat botsingen voorkomen in hun waarnemingsdata. Als ze die inderdaad vinden, zullen ze deze uiteraard snel publiceren en wereldkundig maken.

Zwarte oergaten zijn volgens de meeste modellen echter nogal zeldzaam. Botsingen met de zon zullen zeldzaam zijn, met lange tussenpozen. Volgens Kesden en Hasanoge is het daarom interessanter te kijken hoe andere sterren vibreren. Hoe dan ook: deze vibraties zullen veel meer vertellen over de processen die in deze andere sterren plaatsvinden – en hiermee ons ook helpen de zon beter te begrijpen.

Zwarte gaten zijn waarschijnlijk de grootste energiebron van het universum.

Superbeschaving leeft van zwarte gaten

10 reacties / Ideeën en techniek, Universum, Wetenschap / Door / 17 mei 2011

We zoeken helemaal op de verkeerde plaats naar aliens, stelt de Brusselse onderzoeker Clément Vidal. Aliens zijn al lang naar een zwart gat verhuisd, want daar is veel meer energie te halen dan rond een zonachtige ster.

Kardashev-schalen

Zwarte gaten zijn waarschijnlijk de grootste energiebron van het universum.
Zwarte gaten zijn waarschijnlijk de grootste energiebron van het universum

De Russische astrofysicus Nikolai Kardashev heeft vijftig jaar geleden een schaal bedacht voor buitenaardse beschavingen. Een Kardashev-I beschaving, zoals de onze, benut alleen de energiebronnen van de eigen planeet. Een Kardashev-II beschaving melkt de energiebronnen van een compleet zonnestelsel uit, bijvoorbeeld door alle zonne-energie op te vangen. Een Kardashev-III beschaving oogst de complete energievoorraad van een volledig melkwegstelsel. Een Kardashev-IV beschaving benut de energie van een compleet universum, terwijl een Kardashev-V beschaving ook parallelle universa benut. Tussen de schalen zit een ordegrootte van plusminus honderd miljard (elf nullen).

De Barrow-schaal
Barrow ontwikkelde een aanvullende schaal, die uitgaat van de maximale grootte van objecten die de beschaving kan manipuleren. Barrow-I beschavingen kunnen objecten van ongeveer een meter grootte manipuleren. BII beschavingen kunnen objecten van tientallen micrometers groot (op bacterieschaal)  manipuleren. BIII is het manipuleren van grote moleculen, BIV van individuele atomen (nanometerschaal). We hebben nu net het BIV stadium bereikt. Barrow-V is het manipuleren van atoomkernen (femtotechniek), terwijl BΩ beschavingen objecten tot op de extreem kleine Planckschaal en ruimtetijd zelf kan manipuleren.  Bij deze schaal kan je overigens vraagtekens stellen: zo ligt er tussen Barrow-I en Barrow-II nog het gebied van de fijntechniek dat pas begin twintigste eeuw echt actueel werd, kan je ook nog de quarks in individuele protonen en neutronen in theorie manipuleren en  en is ook de precisie van manipuleren van belang.

Zwarte gaten als energiebron
Zwarte gaten zijn in staat tot dertig procent van alle massa die er in valt, in energie om te zetten. Dat is veel meer dan zelfs bij kernfusie lukt: tot 0,4%. Ook zijn zwarte gaten met een oppervlaktetemperatuur van een nanokelvin veel koeler dan de rest van het heelal en daarom ideaal om afvalwarmte in te lozen (en mogelijk exotische fysica toe te passen). Daarom zijn zwarte gaten een veel logischer keuze voor superbeschavingen om zich te vestigen dan een zonachtige ster. De interessantste plek voor buitenaardse beschavingen is hiermee het grote zwarte gat in het centrum van het melkwegstelsel. Dit zwarte gat is zo groot dat de getijdeneffecten een reiziger niet uit elkaar zullen trekken.

De unieke eigenschappen en exotische fysica van zwarte gaten maken ze ook voor andere toepassingen geschikt, zoals zogenoemde hypercomputers. Volgens sommige theorieën zou ook reizen door de tijd mogelijk zijn. Mogelijk (althans: enkele speculatieve theorieën stellen dat) kunnen reizigers zo zelfs naar een ander heelal reizen. Kortom: zwarte gaten zullen als een magneet werken voor vergevorderde beschavingen. Kortom: we kunnen SETI-radiotelescopen of andere instrumenten het beste op zwarte gaten richten. Vinden we anomalieën, zoals enorme kunstmatige structuren of afwijkingen in de fysica, dan weten we definitief  dat we niet alleen zijn in het heelal.

Bronnen
1. John D. Barrow, Limits of Science and Science of Limits, 1999
2. Black Holes: Attractors for Intelligence?

Fasediagram van een roterend zwart gat

‘Zwart gat kan waargenomen worden’

13 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 21 april 2011

Zwarte gaten zijn onzichtbaar. Rechtstreeks zijn ze niet waar te nemen, omdat hun zwaartekracht zo ster is dat zelfs licht niet kan ontsnappen, dachten astronomen tot nu toe. Fout, stellen astronoom Tamburini en zijn collega’s.

Fasediagram van een roterend zwart gat
Fasediagram van een roterend zwart gat

Omkering ruimte en tijd
Roterende zwarte gaten doen volgens de algemene relativiteitstheorie merkwaardige dingen met de ruimtetijd om hen heen. Zo wordt de ruimtetijd om het zwarte gat heen meegesleurd. Op aarde is dit Lense-Thirring effect nauwelijks waarneembaar, maar vlak bij een neutronenster en zeker vlak bij een zwart gat, waarbij vijf stermassa’s of meer samengeperst zijn in het volume van een berg, is dat wel anders. De gevolgen hiervan zijn merkbaar vlak bij de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Ruimtetijd krijgt hierbij een merkwaardige structuur, waarbij ruimte tijdachtige eigenschappen krijgt en andersom. Binnen de waarnemingshorizon is de omkering compleet.

Zwarte gaten worden doorgaans omringd door een zogeheten accretieschijf, een schijf extreem snel ronddraaiende materie die uiteindelijk door het zwarte gat opgeslokt wordt. Volgens hun berekeningen moet de rotatie van het zwarte gat effecten hebben op de fase en de vorm van het golffront van licht dat uitgezonden wordt door de accretieschijf. Dit effect is waar te nemen met een gevoelige spectrointerferometer en een zeer krachtige telescoop. De meest voor de hand liggende kandidaat om met behulp van een grote telescoop grondig uit te pluizen,  is het grote (vermoedelijke) zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Kortom: we lijken hiermee een methode gevonden te hebben om roterende zwarte gaten op te sporen. En dat is goed nieuws. Roterende zwarte gaten vertonen namelijk een aantal fascinerende eigenschappen die een bezoekje meer dan waard maken.

Het wormgat: een enkeltje onbekend.
Het wormgat: een enkeltje onbekend.

Reizen door een wormtunnel
Volgens de algemene relativiteitstheorie vormen roterende, zogeheten Kerr-zwarte gaten niet een puntvormige, maar een ringvormige singulariteit en twee waarnemingshorizons. Binnen de binnenste, Cauchy-waarnemingshorizon worden ruimte en tijd weer “normaal”, voorzover je daar in een zwart gat van kan spreken. Er zou zich in principe een vergevorderde buitenaardse beschaving kunnen vestigen die de singulariteiten aftapt, denken sommigen.

De algemene relativiteitstheorie voorspelt ook dat er wormtunnels kunnen bestaat, waardoor het mogelijk is van de ene plaats naar de andere plaats, lichtjaren ver weg of zelfs in een ander heelal, te reizen. De zwarte gaten die ontstaan als gevolg van de ineenstorting van een ster zijn veel te klein om veilig doorheen te reizen (je zal door de extreme verschillen in zwaartekracht eindigen als een lange, dunne sliert spaghetti), maar voor het reusachtige zwarte gat in het centrum van de Melkweg van miljoenen zonsmassa’s geldt dat niet. Zou dit zwarte gat roteren, dan ligt er op 26.000 lichtjaar afstand wellicht een poort naar een ander heelal, waar onze verre nazaten naar toe kunnen reizen als de sterren in dit heelal uitdoven en de eeuwige nacht aan zal breken…

Bronnen
Arxiv
ArxivBlog

Quasisterren zagen er ongeveer zo uit als de zon, maar dan heel veel groter en zwaarder.

“Quasisterren vormden eerste zwarte gaten”

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 18 maart 2011

In het vroege heelal bestonden er volgens bepaalde theorieën geen sterren, maar enorme sterachtige objecten, “quasi-sterren”. Quasisterren wekken hun energie niet op door kernfusie, maar vermoedelijk door iets anders. Astrofysicus Warrick Ball van Cambridge bevestigde een eerdere berekening van collega Mitchell Begelman van de universiteit van Colorado in Boulder. Beide denken nu op grond van computerberekeningen dat de energiebron van quasisterren uit kleine zwarte gaten bestond, die in de loop van miljoenen jaren uitgroeiden tot monsters van duizenden zonsmassa’s.

Quasisterren: onmogelijk?
Quasisterren waren (als ze bestonden) enorme bolvormige objecten van duizenden zonsmassa’s. Eigenlijk kan dat niet. De grootste stabiele ster denkbaar is een Wolf-Rayet ster van ongeveer honderdtwintig zonsmassa’s aan gas. Het meeste gas wordt weggeblazen door de zeer hoge stralingsdruk. Het restant brandt in maar enkele miljoenen jaren op (een duizendste van de levensduur van de zon). Zwaardere sterren-in-wording overschrijden de Eddingtonlimiet en exploderen vrijwel meteen als een pair-instability supernova, omdat zware atoomkernen plotseling gaan fuseren, de extreem krachtige gammastraling in de kern die dan ontstaat wordt omgezet in paren elektronen en positronen: antimaterie. Als gevolg valt de stralingsdruk wegvalt en volgt er door de enorme zwaartekracht een catastrofale ineenstorting.

Metaalarm
De reden dat quasisterren toch konden bestaan, is dat in het vroege bestaan van het heelal maar vier chemische elementen voorkwamen: 75 massaprocent waterstof, de rest helium en minieme spoortjes lithium (vrijwel alle lithium hier op aarde, dus ook in de accu van laptops, is afkomstig van de Big Bang) en beryllium.

Quasisterren zagen er ongeveer zo uit als de zon, maar dan heel veel groter en zwaarder.
Quasisterren zagen er ongeveer zo uit als de zon, maar dan heel veel groter en zwaarder.

Met andere woorden: de eerste metaalarme (astronomen noemen alles zwaarder dan helium een metaal) populatie-III sterren bestonden vrijwel geheel uit waterstof en helium, waardoor ze veel groter konden worden dan tegenwoordige sterren zonder direct te exploderen: er was alleen de vloeiende curve van de waterstof- en heliumfusie waardoor in een heel groot gebied kernfusie plaatsvond en zich door de stralingsdruk geen zware exploderende kern kon vormen.

Volgens de quasister-theorie werd op een gegeven moment de kern van de samentrekkende gaswolk toch zo zwaar en dicht dat deze de Chandrasekharlimiet overschreed en zich een zwart gat vormde.

Zwart gat verhit ster
Zwarte gaten doen hun naam (voor zowel onze berekeningen uitwijzen) niet bepaald eer aan. Materie die in een zwart gat valt, wordt zeer heet en valt daarom uiteen in geladen deeltjes. Geladen deeltjes die rondtollen (in dit geval: om het zwarte gat) zenden straling uit : de reden dat objecten als Cygnus X-1, de meest waarschijnlijke kandidaat voor een zwart gat, enorm sterke röntgenbronnen zijn. Dit zwarte gat verhit met deze straling het gas in het centrum, waardoor dit uit gaat zetten. Volgens berekeningen van het team astronomen is het gevolg, dat de gasbol er van buiten uit zie als een uit de kluiten gewassen ster, zo groot dat ons complete zonnestelsel plus Kuipergordel er in zou passen,  met een kleur van die van de zon van rond de duizend zonsmassa’s. Hoe groter het zwarte gat, hoe vraatzuchtiger en hoe meer energie er vrij komt. Op een gegeven moment wordt de omgeving rond het zwarte gat zo heet, dat de gasschil weg wordt geblazen en het zwarte gat zelf zichtbaar wordt. Volgens de berekening van de onderzoekers gebeurt dit na ongeveer een miljoen jaar.

Dwergstelsels
Met dit mechanisme denken ze te kunnen verklaren hoe de superzware zwarte gaten in het centrum van de eerste melkwegstelsels zich vormden. Deze trokken vervolgens de materie in de buurt aan en concentreerden deze tot de eerste melkwegstelsels. Deze oermelkwegstelsels waren overigens veel kleiner dan onze Melkweg: het ging hier om dwergstelsels zoals de Magelhaense Wolken en Omega Centauri die zich in de loop van miljarden jaren samenvoegden tot de imposante melkwegstelsels van nu. Ook de zwarte gaten slokten elkaar op tot de monsters van miljarden zonsmassa’s van nu.

Bronnen
New Scientist
Arxiv.org (Begelman, Rossi en Armitage)
Arxiv.org (Ball, Tout, Zytkov en Eldridge)