Kosmologisch nieuws

[Michel Uphoff]

Superstructuur brengt kosmologisch principe in gevaar?
 
Een goed bereide en gelijkmatig gerezen chocolade-krentencake is behalve lekker ook homogeen en isotroop. (Hoewel je een trotse kok zich zelden op de borst zal zien kloppen vanwege de hoge isotropie van zijn baksel.)


Als je goed naar zijn cake kijkt zijn de luchtbellen niet overal even groot, de krenten en chocoladestukjes ook al niet, en hier en daar zitten er wat krenten of chocoladesnippers dichter bij elkaar, terwijl ze even verderop juist wat minder voorkomen. Maar op de schaal van de hele cake is de materie toch mooi gelijk verdeeld.


Stel je voor dat die cake enorm groot en doorzichtig is, en wij er ons in bevinden. Dan zou het niet uit moeten maken waar we in de cake zijn. Rond ons zou de structuur overal even luchtig moeten zijn (de cake is homogeen ) en welke richting we ook opkijken, we zouden ongeveer hetzelfde moeten zien (de cake is isotroop ).


Zo is het volgens de huidige inzichten ook met het heelal. Het heelal zou op grote schaal homogeen en isotroop moeten zijn. Tenminste, wil de oerknaltheorie kloppen.


Dit wordt het Kosmologisch_Principe genoemd. Een heelal dat op grote schaal niet overal ongeveer even veel massa zou hebben of er op dezelfde grote schaal niet overal ongeveer gelijk uit zou zien, zou tot grote problemen kunnen leiden. We zouden ons dan immers in een deel kunnen bevinden dat er niet alleen anders uitziet, maar -problematischer- mogelijk ook anders werkt dan elders in het heelal. Dat zou onze theorievorming aangaande het heelal behoorlijk ondermijnen.


Tot nu toe bevestigen waarnemingen van het heelal die homogeniteit en isotropie. Waar we ook kijken, het heelal ziet er op grote schaal ongeveer hetzelfde uit. De gemeten temperatuur, dichtheid en expansiesnelheid komen op grotere schaal netjes overeen met het kosmologisch principe, en dientegevolge zouden ook overal in het heelal dezelfde natuurkundige constantes gelden. Het deel van het heelal rond om ons is dus kennelijk representatief voor het hele heelal.


Natuurlijk komen we, net als de krenten in de cake, hier en daar wat samenballing van materie tegen, maar die zijn op hun beurt weer gelijkmatig verdeeld. Al met al lijkt de grootschalige structuur wel wat op zeepsop met weinig materie in de bellen en vrijwel alles in de wanden waar sterrenstelsels elkaar onder invloed van de wederzijdse zwaartekracht in draderige filamenten opzoeken. Waar meerdere bellen samenkomen onstaan op het grensvlak clusters van sterrenstelsels. Zo ontstaat een soort web van sterrenstelsels, dat merkwaardigerwijs zeer veel lijkt op de structuur van hersencellen met hun axonen en dendrieten. Hier een stukje van dit 'kosmisch schuim' uit de opnames van de Sloan Digital Sky Survey.

structuur 5388 keer bekeken

Stukje van de grootschalige structuur van het heelal uit de Sloan DSS opnames.

Ieder puntje is een melkweg in dit 'kosmisch schuim'. Grotere vlekken zijn clusters van sterrenstelsels.

 

avk_evol 5253 keer bekeken

Hetzelfde 'kosmische schuim' maar nu gesimuleerd door een krachtige computer.
Bron: Universiteit van Chicago
 
Er is een model doorgerekend voor de verdeling van materie in het heelal, dat er eenvoudig gesteld op neer komt dat geen structuur in het heelal groter mag zijn dan ongeveer 1,2 miljard lichtjaar. Zolang de grootste structuren in het heelal onder deze afmetingen liggen, blijven de waarnemingen in overeenstemming met de theorie.


De soms enorme clusters van sterrenstelsels tarten het kosmologisch principe nét niet genoeg om een probleem te zijn. De grootste bekende structuur was tot op heden met 1,35 miljard lichtjaar de Sloan_Great_Wall. Qua afmetingen net 'over de rand' van wat de theorie voor waarschijnlijk hield.

Sloan Great Wall 5343 keer bekeken

[/size]
De "Sloan Great Wall." (copyright by Mario Juric and J. Richard Gott, Department of Astrophysical Sciences, Princeton University.)

Quasars zijn extreem helder en kunnen dus tot op enorme afstanden gezien worden. Een quasar is de ongelofelijke hoeveelheid staling die een superzwaar zwart gat in de kern van een jong sterrenstelsel tijdens zijn vreetpartij van materie in twee bundels het heelal in jaagt:

Quasar SDSS J1106+1939 5332 keer bekeken

Quasar SDSS J1106+1938


Quasars (eigenlijk de sterrenstelsels rond de quasars) hebben de neiging zich in groepen samen te bundelen, en zo zouden de grote superclusters van sterrenstelsels kunnen zijn ontstaan. Quasars staan immers ver weg en we kijken dus ver in het verleden, naar jonge sterrenstelsels.


Een eveneens gigantische structuur is de CCLQG, bestaat uit 34 quasars. LQG staat voor Large Quasar Group, CC voor de ontdekkers Clowes en Campusano. De groep is net wat meer dan 1,2 miljard lichtjaar groot. Ook de omvang van deze groep is opmerkelijk, maar nog net passend binnen het theoretisch raamwerk.


In de Monthly Notices van Royal Astromical Society is vandaag de ontdekking van een hypercluster van quasars bekend gemaakt. De kosmische mastodont is voorlopig HugeLQG gedoopt en de grootste structuur ooit in het heelal gevonden.


De HLQG bevat maar liefst 73 quasars en heeft een totale geschatte massa van een whopping 6.1 miljard maal miljard (6,1x10¹⁸) zonnen oftewel 10 miljoen melkwegen. Deze monsterlijk grote groep is maar liefst 4 miljard lichtjaar lang, en dat is ruim boven de de theoretische bovengrens die bij het kosmologisch principe zou behoren. Bovendien bevindt deze supergroep zich ook nog eens vlakbij de hierboven genoemde CCLQG.

Superclusters van quasars 5319 keer bekeken

Schema van de twee LQG's. Boven de zojuist ontdekte HLQG en onder de reeds bekend CCLQG

De schaal is in megaparsecs (1 megaparsec is ongeveer 3,25 miljoen lichtjaar).

Bron: R.G. Clowes et al


In een plakje cake zit vlak bij een opvallend bolletje krenten een flink stuk chocolade. Moeten we niet aan de bereidingswijze te gaan twijfelen?


Wetenschappelijke artikel: klik

[Michel Uphoff]

Oerknaltheorie
Een ongelukkig gekozen naam. De theorie beschrijft namelijk zo ongeveer het ontstaan van alles, behalve de oerknal. Het eerste moment waarop we kunnen gaan theoretiseren en daadwerkelijk onderzoeken ligt een fractie ná de oerknal, en begint met de inflatie.
 
De inflatie

Het is 0,000000000000000000000000000000000001 (10^-36) seconde na de oerknal, en de temperatuur is ongeveer 10²⁸graden. Wat hiervoor gebeurde is niet te beschrijven met onze wis- en natuurkunde en blijft mogelijk altijd een raadsel. Het vrijwel puntvormige heelal begint uit te zetten met een snelheid die alle begrip te boven gaat, en wordt in een fractie van een fractie van een fractie van een seconde duizend miljard * miljard * miljard (10³⁰) keer groter. Dit wordt de kosmische inflatie genoemd. Na deze inflatie is het heelal volgens sommigen een paar millimeter groot, volgens anderen heeft het dan de omvang van ons zonnestelsel. Beide schattingen zijn eigenlijk zinloos, het heelal kan van meet af aan oneindig groot geweest zijn. De enige afmetingen die voor ons hier op Aarde zinvol zijn die van het waarneembare heelal; de straal van het heelal gelijk aan de lichtsnelheid maal de ouderdom. En die straal is ook na de inflatie extreem gering, veel minder dan de diameter van een atoomkern. Materie bestaat nog niet tijdens deze inflatiefase.


Kwantumfluctuaties (klik) veroorzaken minieme onregelmatigheden in de dichtheid en temperatuur van het onbeschrijfelijk dichte en hete zaadje dat het heelal gaat worden. Door de kosmische inflatie worden deze onregelmatigheden tot op astronomische schaal uitvergroot.

Na deze korte periode van inflatie blijft het heelal doorgroeien maar in een veel trager tempo.

Het ontstaan van materie

1 miljoenste seconde na de oerknal. De temperatuur is gedaald tot 10 miljoen maal miljoen (10¹³K) graden. Quarks en hun antideeltjes, maar ook fotonen (de dragers van het licht) ontstaan en vormen samen met neutrino's en de mysterieuze donkere materie een ondoordringbare, extreem compacte en hete kosmische soep. Deeltjes en antideeltjes vernietigen elkaar en, omdat er iets meer materie is dan antimaterie, domineert uiteindelijk de 'gewone' materie in het heelal. De immense energie die bij de annihilatie van materie en antimaterie vrijkomt creëert een enorme hoeveelheid hoogenergetische fotonen.


1 seconde na de oerknal. Quarks combineren tot protonen (waterstofkernen) en neutronen, die voortdurend in elkaar over gaan onder de immense druk en temperatuur. Maar omdat neutronen iets zwaarder zijn dan protonen gaat de transitie van neutron naar proton eenvoudiger. Dat veroorzaakt uiteindelijk een verhouding van ongeveer 7 protonen per neutron.


5 seconden na de oerknal. De temperatuur is ongeveer 1 miljard graden (10⁹K).

Elektronen en positronen ontstaan, en de vorming van materie stopt.


3 minuten na de oerknal. Het heelal is zoveel uitgezet en afgekoeld dat protonen kunnen samensmelten. Korte tijd later houdt deze protonfusie tot heliumkernen alweer op omdat de druk en de temperatuur zeer snel dalen. De uiteindelijke verhouding van de atoomkernen (ongeveer 75% waterstof en 25% helium, en sporen van enige andere elementen) komt vast te liggen.


Deze dichte hete soep van waterstof en heliumkernen, elektronen, fotonen en donkere materie is nog steeds ondoorzichtig. Fotonen, de lichtdragers, kunnen zich niet vrij bewegen in dit inferno van continue botsende deeltjes want ze interacteren voortdurend met de alom aanwezige vrije elektronen die hun energie absorberen. De enorme aantrekkende zwaartekracht en de expanderende stralingsdruk zorgen ervoor dat de materie in dit krachtenspel min of meer homogeen blijft.


De donkere materie echter ondervindt die stralingsdruk niet. Donkere materie en fotonen reageren niet op elkaar, een van de eigenschappen van deze onbegrepen stof. Omdat ook de verdeling van deze donkere materie door de eerder genoemde onregelmatigheden niet volkomen homogeen is leidt dit tot de eerste samentrekkingen van donkere materie onder haar eigen zwaartekracht. De primitieve structuur van het heelal, het kosmisch schuim (zie vorige stukje) ontstaat dus al voordat de zichtbare 'gewone' materie onder de zwaartekracht invloed kan samentrekken.


380.000 jaar na de oerknal. Het almaar uitdijende heelal koelt af tot 2700°C waardoor de kernen en elektronen zich kunnen verenigen tot neutrale atomen, dit proces wordt recombinatie genoemd klik . De fotonen, minder gehinderd door alle los rondvliegende elektronen kunnen zich nu vrij bewegen.


Zo werd 13,43 miljard jaar geleden het heelal doorzichtig, en kon het eerste licht gaan reizen. De diameter van het waarneembare heelal moet toen 760.000 lichtjaar geweest zijn.


Nu de stralingsdruk van de botsende fotonen grotendeels wegvalt trekt onder invloed van de zwaartekracht ook de zichtbare materie samen tot gigantisch wolken, de structuur volgend die door de donkere materie reeds is vastgelegd.

Stervorming

In deze periode, die de "dark ages" wordt genoemd, was er in het afgekoelde heelal nog geen ster te vinden, alleen donkerte en een steeds ijler en koeler mengsel van waterstof en helium. En zwaartekracht.


En onder die kracht ontstonden na een paar honderd miljoen jaar samentrekken van het ijle gas de eerste sterren. De druk en temperatuur liepen in de kernen van belvormige gebieden in het heelal weer sterk op, de materie werd zo heet dat kernfusie weer kon optreden. Superhete sterren werden geboren en het werd voor de tweede keer licht in het heelal. En zo pakte op 'kleine' schaal, in de kernen van miljarden nieuwe sterren, de een paar minuten na de oerknal gestaakte fusie van waterstof tot helium de draad weer op.


De intense straling van deze eerste sterren ioniseerde het waterstof opnieuw, de elektronen kwamen weer vrij van de kernen. Deze reïonisatie klik trad tussen 200 miljoen en 1 miljard jaar na de oerknal op. Maar inmiddels was het heelal ijl genoeg, zodat de fotonen slechts zelden een vrij elektron tegenkwamen en in het algemeen ongehinderd konden reizen. Tot op de dag van vandaag is het gas in het heelal grotendeels geïoniseerd, maar alleen op plaatsen waar grotere hoeveelheden geïoniseerd waterstofgas bij elkaar gepakt zitten is het heelal ondoorzichtig, zoals bijvoorbeeld bij de grote Orionnevel. De reïonisatie heeft waarschijnlijk een belangrijke rol gespeeld bij het ontstaan van de grotere structuren in het heelal. klik

Zwaardere elementen

Aan het einde van het korte leven van deze superhete sterren traden na het verstoken van de waterstof in de kern nieuwe, veel heftiger en kortdurende fusies tot zwaardere elementen op. De ons zo bekende elementen als bijvoorbeeld zuurstof, koolstof en ijzer ontstonden daar.

De ster leek nu op een ui met allerlei lagen waar zich andere processen voltrokken. Aan de buitenkant nog waterstof, daaronder een laag tot helium fuserend waterstof, daaronder lagen waar gefuseerd werd tot koolstof en zuurstof en in de kern tot het meest stabiele element, ijzer.


Verdere fusie was niet meer mogelijk want fuseren van ijzer tot zwaardere elementen kost energie in plaats van dat er energie vrijkomt. De gigantische expanderende druk van de fusie in de kern viel weg en de sterkern stortte onder de enorme zwaartekracht in. Elektronen en protonen in de kern smolten samen tot neutronen. De miljoenen Aardes zware bovenlagen stortten met een snelheid van miljoenen kilometers per uur mee de diepte in, waar ze op de niet verder samen te drukken neutronenkern knalden. Al die vrijgekomen kinetische energie in het hart van de ster kon nog maar één uitweg vinden en de ster explodeerde met astronomisch geweld. Tijdens deze doodsstuip (supernova) van de enorme blauwhete sterren van de eerste generatie ontstonden in seconden de zeldzamer zware elementen als goud en uranium.

Planeetvorming

De resten van de ster, helium, waterstof maar nu ook de zware elementen werden terug het heelal ingeblazen. Het heelal bestond vanaf nu dus niet meer uit vrijwel alleen waterstof en helium. De zwaartekracht begon weer aan haar onvermoeibare arbeid en nieuwe sterren werden geboren. In de gas- en stofwolken rond deze sterren van de tweede en derde generatie konden zo ook de zwaardere elementen zich samentrekken tot wat uiteindelijk planeten zouden worden.


De Aarde en wijzelf zijn afkomstig uit stervende sterren. Wij zijn, hoe poëtisch het ook klinkt, letterlijk sterrenstof.


Dit is kort en vereenvoudigd samengevat de in de loop der jaren aangepaste, en tot op heden hoogst succesvolle, oerknaltheorie die hieronder in een schema is weergegeven.

history_of_Universe 5705 keer bekeken

De historie van het heelal in beeld. Bron: Esa
klik voor grotere afbeelding


Dat eerste 'vrije' licht dat 380.000 jaar na de oerknal ontstond moest, zo voorspelde Robert Dicke (klik) in 1946, nog steeds zichtbaar zijn. Door de uitdijing van het heelal moest de temperatuur sterk gedaald zijn tot een paar graden boven het absolute nulpunt. En in 1965 ontdekten Penzias en Wilson bij toeval inderdaad de continue kosmische ruis van de achtergrondstraling (klik).


Op een golflengte van iets meer dan een millimeter, een frequentie van 283 GHz werd overal waar men luisterde de ruis van de achtergrondstraling, het eerste licht van het heelal, waargenomen. Door de uitdijing van het heelal werd de golflengte van het eerste licht dat oorspronkelijk een temperatuur van ongeveer 3000K had een factor 1000 uitgerekt, wat resulteerde in een afkoeling tot 2,725 graden boven het absolute nulpunt, ongeveer minus 270 graden Celsius.


En die straling moest, zo volgde uit de oerknaltheorie, het kosmologische principe bevestigen. De straling moest bijna homogeen zijn, slechts zeer kleine afwijkingen waren toegestaan want:

• Volslagen homogeen was uitgesloten, want dat zou immers betekenen dat alle materie in het heelal oorspronkelijk volkomen gelijk verdeeld zou zijn, en dan zou de zwaartekracht nooit in staat zijn de miljarden samenklonteringen, die uiteindelijk sterren en sterrenstelsel zouden vormen, te laten ontstaan.
• Tegelijk moest de straling homogeen genoeg zijn, want een sterke concentratie van materie op grote schaal ergens in het vroege heelal zou leiden tot een enorme zwaartekracht aldaar, en dat zou de vorming van ons zo mooi isotrope en homogene heelal onmogelijk maken.
• De kwantumfluctuaties in het minuscule zaadje moeten door de inflatie opgerekt zijn tot geringe dichtheids- en temperatuurverschillen in een gigantisch heelal.

En de waarnemingen bevestigen dit beeld. Nergens wijkt de achtergondstraling meer af dan een paar tienduizendsten graad, en de fluctuaties zijn mooi egaal verdeeld over de achtergrond. Latere metingen door de COBE en WMAP) ruimteobservatoria bevestigen het zo belangrijke kosmologisch principe.


Deze week werden de meetresultaten aan dit eerste licht in het heelal door het derde en meest nauwkeurige ruimtelab Planck bekend. Plack moet ons met zijn hoge 'oplossend vermogen' een ongekend gedetailleerd inzicht in de kosmische achtergrondstraling verschaffen en dieper inzicht geven in de homogeniteit en isotropie van het heelal.

0321-big-bang-universe-older_full_600 5372 keer bekeken

Het oplossend vermogen van COBE,WMAP en Planck. Bron:esa


In het volgende stukje meer over de toch wel opzienbarende resultaten van de Planck missie.

[Michel Uphoff]

Planckmissie
 
Wetenschappers hebben afgelopen week op basis van de meetresultaten van de Europeese satelliet Planck de meest gedetailleerde kaart van de kosmische achtergrondstraling – de 'afgekoelde' straling van de oerknal – gepresenteerd die ooit is gemaakt.

Planck 5306 keer bekeken

Het Planc ruimteobservatorium. bron: Esa


De kosmische achtergrondstraling laat minieme temperatuurfluctuaties zien die het gevolg zijn van kleine dichtheidsverschillen in de kosmische 'oersoep'. Uit deze dichtheidsverschillen zijn later zoals in het voorgaande stukje is beschreven de sterren en sterrenstelsels voortgekomen.


De meetgegevens leveren nauwkeuriger waarden op voor een aantal belangrijke parameters. In het kort:

	voor Planck	na Planck
leeftijd heelal	13,7 miljard jaar	13,82
hubble constante	69,16 km/s/megaparsec	67,15
donkere energie	71,4% van totale massa	68,3%
donkere materie	24% van totale massa	26,8%
zichtbare materie	3,6% van totale massa	4,9%

Samengevat: het heelal is iets ouder dan gedacht en zet iets minder snel uit, terwijl de verhoudigen donkere energie, donkere- en gewone materie licht gewijzigd zijn. Op zich niet onbelangrijk, maar niet onverwacht.


Ook de verdeling van de materie op kleinere schaal komt nauwkeurig overeen met de voor het standaard oerknal-inflatiemodel benodigde homogeniteit. Zolang een stukje hemel ter grootte van de Maanschijf bekeken wordt, stemmen de waarnemingen en de theorie in zeer grote mate met elkaar overeen.


Maar op grotere schaal zijn er afwijkingen gevonden, die de wetenschappers verbazen en die niet in overeenstemming te brengen zijn met het standaardmodel:

• De helderheidsverschillen in de nagloed van de oerknal liggen op grote schaal 10% lager dan de modellen voorspellen, wat een grote verrassing is.
• Er tekenen zich duidelijk gebieden met hogere en lagere temperaturen af, in deze kaart gescheiden door de witte lijn.
• Bovendien is er rechtsonder een kleiner gebied met duidelijk lagere temperaturen zichtbaar.
• Het totale beeld is (hoewel het om echt extreem kleine temperatuurverschillen gaat) er niet een van een nagenoeg homogeen en isotroop heelal.

Planck_enhanced_anomalies 5350 keer bekeken

Kaart van de achtergrondstraling door Planck. De temperatuurverschillen zijn in deze kaart iets versterkt. Bron: Esa
(Klik voor grotere afbeelding, of haal de bijlage binnen voor een HiRes afbeelding).


Een verklaring voor deze afwijkingen is er niet, maar er zijn al wetenschappers die openlijk betwijfelen of het standaard oerknal model (met o.m. de ingrediënten inflatie, isotropie en homogeniteit) nog wel onverkort houdbaar is.


Anderen houden het op kleine fouten in de complexe nabewerking van de meetresultaten. Deze Planck kaart is gegenereerd door de straling van alle 'voor' de achtergrondstraling aanwezige lichtbronnen (sterren, sterrenstelsels, onze melkweg, stofwolken) en de rood/blauw verschuivingen door de eigenbeweging van de Aarde, één voor één, als de lagen van een ui van de meetresultaten af te trekken, een lastig proces.


Voor de geïnteresseerden hier een Euronews uitzending over de Planck resultaten met ondermeer stukken van een interview met George Efstathiou, professor Astrofysica bij de University of Cambridge:





De resultaten van de Planck missie zullen kosmologen nog lang hoofdpijn bezorgen, en wellicht leiden tot een (drastisch) aangepaste theorie over het ontstaan van het heelal.


bijlage: de Planck kaart in hoge resolutie.

[Bartjes]

Die donkere energie en materie komen op mij over als een zwaktebod. Men wil de theorie graag behouden dus noemt men de energie en materie die men te kort komt 'donker', en klaar is Kees. Het klopt weer.

[Michel Uphoff]

Iedere wetenschapper die kan aantonen dat donkere energie of materie niet nodig is, omdat hij/zij een andere steekhoudende verklaring kan bieden voor de waarnemingen, heeft daar bij wijze van spreken een arm voor over. Dus reken maar dat er duizenden bezig zijn te bezien of beide hypotheses onderuit gehaald kunnen worden. Maar het lukt nog steeds niet om een werkend model op te stellen zonder deze twee.


Het oerknalmodel bestond al op grond van theoretische voorspellingen door Einstein en de waarnemingen van Hubble, dus voordat er sprake was van de donkere materie en -energie hypotheses. Pas later heeft men deze twee hypotheses 'ingepast' in het standaardmodel dat in de loop der jaren steeds verfijnder werd en -belangrijk!- steeds meer in overeenstemming is met de waarnemingen.


De werkelijke aanleiding donkere materie te veronderstellen ligt in de overtuiging dat de natuurwetten en de bijbehorende constanten overal in het heelal hetzelfde zijn (waarvoor ondermeer genoemde homogeniteit en isotropie een voorwaarde zijn).


Sterrenstelsels kunnen bijvoorbeeld niet bestaan als je de aanname doet dat de wetten en constanten overal gelijk gelden en alle materie zichtbaar is. Ze roteren daarvoor te snel in verhouding tot hun zichtbare massa, dat constateerde Oort al in 1932. Maar ook de gravitatielenzen die veel later zijn gevonden geven aanleiding een veel sterkere zwaartekracht te veronderstellen dan op grond van de zichtbare materie berekend werd. Ook de patronen in de kosmische achtergrondstraling leiden tot de veronderstelling dat donkere materie noodzakelijk is.


Neemt natuurlijk niet weg dat beide hypotheses, hoewel door het merendeel van de wetenschappers geaccepteerd, niet zonder controverse zijn. Dat komt natuurlijk ook wel een beetje door de mysterieuze benaming. Bij donkere materie is het eigenlijk heel eenvoudig; We missen het grootste deel van de massa van het heelal als wij alleen naar de zichtbare materie kijken. Kennelijk zien we een fors deel niet. Welke vorm die materie heeft (miljarden mini black holes, triljarden rode, bruine en zwarte dwergen, ongedetecteerde deeltjes zoals de theoretsiche WIMP's, Macho's, Rambo's, combinaties hiervan en noem maar op) is onbekend. Er bestaat inmiddels wel een duidelijke voorkeur voor de WIMPS, omdat de andere opties nóg onwaarschijnlijker zijn.


De donkere energie kwam pas in de 90'er jaren ter sprake, toen ontdekt werd dat het heelal versneld uitdijde. Deze hypothese lijkt er inderdaad wel wat met de haren bijgesleept en kent meer controverse. Mogelijk is het een eigenschap van de ruimte-tijd.


Nog sensationeler zou het zijn, als bleek dat de natuurwetten en -constanten niet overal in het heelal hetzelfde zijn, maar daar is vooralsnog geen spaan van bewijs voor.


De metingen van Planck zijn nu juist zo interessant, omdat ze - wellicht - een deuk slaan in het standaardmodel of een dieper inzicht kunnen geven in ondermeer de oerknal, de toch wel controversiele inflatiehypothese en aard van donkere materie.

[Bartjes]

Dank voor de uitleg. Maar het blijft mij voorkomen als de omgekeerde wereld: waarom zouden critici moeten bewijzen dat de donkere materie en energie niet bestaan? Dat ze volgens de huidige theorie zouden moeten bestaan maar niet worden aangetroffen, kan net zo goed worden uitgelegd als een fout in de huidige theorie.


Overigens gaat het in de wetenschapsgeschiedenis altijd zo: geen enkele theorie is perfect, en vaak blijft men nog geruime tijd aan haperende theorieën doorwerken totdat er een kennelijk betere kandidaat langs komt.

[Michel Uphoff]

waarom zouden critici moeten bewijzen dat de donkere materie en energie niet bestaan?

Dat hoeven ze niet. Ze moeten met een bij de waarnemingen aansluitende wetenschappellijk verantwoorde theorie komen.


Wie dat kan zonder de aanname van donkere energie of -materie heeft waarschijnlijk een Nobelprijs te pakken.

[Bartjes]

Daar zal hem dan de crux van die donkere materie en energie kwestie zitten. Bij gebrek aan een deugdelijke alternatieve theorie die het zonder donkere materie en energie klaarspeelt gaat men er voorlopig nog maar vanuit dat ze wel bestaan...

[Michel Uphoff]

Dat is denk ik inderdaad de kwintessens.

[Michel Uphoff]

AMS2 geeft hypothetische WIMPs een steuntje in de rug


De aard van de donkere materie (zie voorgaande stukjes) is een bron van heftig dispuut. De meest aangehangen hypothese is, dat de donkere materie bestaat uit WIMPs (weakly interacting massive particles). Deeltjes die wel massa hebben en dus zwaartekracht uitoefenen op de omgeving, maar nauwelijks een wisselwerking aangaan met de elektromagnetische kracht. Dus zijn WIMPs te omschrijven als "onbekende, zware, onzichtbare deeltjes". Dat is wel heel erg mager.


Hoe detecteer je dan deze onzichtbare WIMPs, mochten ze al bestaan?

Indirect, bijvoorbeeld door te kijken naar de deeltjes die geproduceerd kunnen worden wanneer twee WIMPs elkaar annihileren. Positron-elektron paren zijn een kandidaat volgens de theoretici. Een positron is het antideeltje van een elektron; het heeft alle eigenschappen van een elektron op de lading na, die is in tegenstelling tot de negatieve lading van een elektron positief. Positronen zijn al in 1932 ontdekt en vormen een bescheiden onderdeel van de kosmische straling die dagelijks onze atmosfeer binnen dringt. Helaas (hoewel het leven op Aarde zich er gelukkig mee mag prijzen) komt deze hoog energetische straling nauwelijks door het magnetisch veld en de dampkring van de Aarde heen, en zijn we dus op instrumenten in de ruimte aangewezen.


Omdat tijdens de eerste seconde na de Big Bang deeltjes en antideeltjes elkaar annihileerden en er geen antimaterie overbleef, moeten de positronen later zijn gecreëerd. WIMP annihilatie is echter niet de enige mogelijke bron van positronen. Pulsars en supernovae bijvoorbeeld zijn in staat zeer hoog energetische straling de ruimte in te zenden, straling die indien ze in botsing komt met het ijle interstellaire gas positronen creëert. Dus is de vraag hoe je die verschillende bronnen van elkaar kan onderscheiden. Welke positronen zouden afkomstig kunnen zijn van WIMPs en welke van andere bronnen?


Als het pulsars en ontploffende sterren zijn die de positronen onze kant op sturen, dan hebben deze deeltjes een bepaalde richting en 'wijzen' dus naar hun bron. Het valt dan niet te verwachten dat de positronen netjes gelijkmatig verdeeld vanuit alle richtingen komen. Ook valt niet te verwachten dat dan de verhouding tussen hoog en laag energetische positronen gelijk verdeeld over alle richtingen is. Die straling is dan dus waarschijnlijk anisotroop, niet isotroop. (Zie voor isotropie de vorige stukjes). Mochten de positronen echter van ter ziele gegane WIMPs afkomen, dan is isotropie te verwachten volgens de algemeen heersende hypothese, want ook (zie eerdere stukjes) de donkere materie zou ook vrijwel homogeen verdeeld moeten zijn.


En er is mogelijk nog een manier om de positronen van de WIMPs te onderscheiden van die van Pulsar & Co. Volgens theoretici moet de verhouding elektronen-positronen, afgezet tegen hun energie-inhoud, een kenmerkend verloop hebben. Van een paar tot 10 GeV (Giga elektron Volt) moet het aantal positronen t.o.v. het aantal elektronen langzaam afnemen, en daarna tot ongeveer 250 GeV weer oplopen. Na 250 GeV moet de fractie echter weer sterk teruglopen. De fractie positronen die hun ontstaan vinden ten gevolge van genoemde supernovae en pulsars zou vanaf 1 GeV gestaag moeten aflopen, en bij 100 GeV vrijwel tot nul gereduceerd moeten zijn.


In mei 2011 is de AMS2 aan het ISS bevestigd. Deze 8,5 ton zware Alpha Magnetic Spectrometer is in wezen een enorme permanente magneet die de diverse hoogenergetische deeltjes verschillend afbuigt. Een hele batterij aan detectoren analyseert aan de hand van de buiging, de snelheid en de energiedichtheid welke soort deeltje de opening in de magneet gepasseerd is.

AMS02 5280 keer bekeken

AMS02


Tot op heden zijn er door AMS ongeveer 400.000 positronen gedetecteerd, bijna 100 keer zoveel als er bij elkaar op de Aarde ooit aangetroffen zijn. (m.u.v. de positronen die in versnellers kunnen worden gemaakt). De eerste resultaten van AMS zijn deze week bekend gemaakt en verrassend:

• De positronen lijken gelijkmatig verdeeld uit alle richtingen te komen. Van concentratie in bepaalde hemelgebieden (bijvoorbeeld door de aanwezigheid daar van een supernova of pulsar) is niets gebleken.
• Ook de verdeling van minder en meer energierijke positronen is zeer gelijkmatig. Er lijkt ook hier sprake van een nette isotropie.
• Er is een veel hoger dan verwachte fractie hoog energetische positronen aangetroffen, de stijging boven 10 GeV is in overeenstemming met de WIMP hypothese.
• Er lijkt zich een dip in de grafiek bij 250 Gev aan te kondigen.

Positron fractie AMS 5294 keer bekeken

Positronenfractie in hoog energetische kosmische straling. De grijze band geeft de te verwachten fractie op basis van berekeningen zonder WIMPS aan. De AMS-2 metingen lijken een dip aan te kondigen bij > 250 GeV (de blauwe pijl). De andere kleuren in de grafiek komen van eerdere, minder nauwkeurige metingen.


Genoemde punten zijn dus fraai in overeenstemming met de "WIMP hypothese". Dat is een aardige steun in de rug voor de theorie dat de donkere materie uit WIMPs bestaat, maar en dit moet benadrukt, nog verre van een bewijs.


Pas als de dip in de grafiek die nu in aanleg flauw zichtbaar lijkt te zijn (zie ook de toenemende spreiding van onder- en bovengrens bij grotere energieën) bij massa's van 250 GeV zich echt manifesteert worden WIMPs als de bron van positronen waarschijnlijker. AMS heeft er naar schatting 10% van zijn levensduur op zitten, en kan gelukkig nog een tijd mee. Meer tijd zal nodig zijn om statistisch met voldoende zekerheid vast te stellen of de fractie hoog energetische positronen daadwerkelijk scherp daalt bij >250 GeV.


Het wetenschappelijk artikel over de detectiemogelijkheden van WIMPs door Marc Kamionkowski en het artikel "Positrons Galore" van Stephane Coutu van de Pennsylvania State University kan je vinden in de bijlagen.


Links naar meer achtergrondinformatie:

Cern

Physiscworld

[Michel Uphoff]

Glimp van een WIMP ?


Wetenschappers van het Super CDMS-experiment (Super Cryogenic Dark Matter Search), een detector bijna 800 meter diep in de Soudan-mijn in Minnesota zeggen aanwijzingen voor donkere materie in de vorm van WIMPs te hebben gevonden.


De onderzoekers claimen drie 'events' die kunnen wijzen op het bestaan van deze deeltjes. De significantie van de detectie is 3σ (3 sigma, ongeveer 99,8%). Dat is slechts een 'aanwijzing', want een 5σ resultaat (1 op een miljoen) geldt in de hoog energetische fysica pas als een ontdekking.

cdms-ii 5287 keer bekeken

De drie detecties


De zeer geavanceerde super gekoelde silicium sensoren zouden theoretisch in staat moeten zijn de uiterst zeldzame effecten van een WIMP die een atoomkern raakt te detecteren. Al eerder werd melding gemaakt van de mogelijke detectie van donkere materie door CDMS, maar die metingen waren dermate onbetrouwbaar dat ze terzijde geschoven moesten worden. Nauwkeurige analyse van de reeds beschikbare meetresultaten bracht een afwijking aan het licht die verklaard kan worden als spin onafhankelijke verstrooiing van WIMPs.

CDMS 5281 keer bekeken

CDMS


De geschatte massa van de WIMPs ligt rond 8,6 GeV dus grofweg 10 protonmassa's. Deze waarde leidt echter tot vragen en twijfel want ze ligt onder of net op door theoretici voorspelde bodemwaarden. Bovendien is het vrijwel uitgesloten dat de tot op heden vergaarde data meer zal prijsgeven dan slechts dit 'vermoeden van'. Sommige astrofysici verklaren meer opgewonden te zijn dan eigenlijk zou horen.


De silicium sensoren zijn inmiddels niet meer in gebruik en de detector is nu voorzien van gevoeliger germanium én silicium sensoren. Het apparaat zou nu in staat moeten zijn zowel lichte als zwaardere WIMPs te vinden.


bron: Berkeley

Meer lezen: klik


In de bijlage het wetenschappelijk paper.

[Michel Uphoff]

Donkere energie (?)


Afstand van lichtbronnen

De intensiteit van licht is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand leerden velen van ons op school. Een basale natuurwet die zich met onderstaande afbeelding eenvoudig laat verklaren. 4 keer zo ver weg is 16 keer minder licht per vakje (of ooglens). Zo is dus eenvoudig aan de lichtsterkte af te lezen hoe ver een lamp van ons af staat. Is deze sterkte een miljoenste van de sterkte die we op 1 meter meten, dan is de afstand tot de lamp de wortel uit 1 miljoen maal 1 meter, dus 1 kilometer (invloed van de atmosfeer buiten beschouwing gelaten).

the-inverse-square-law 5617 keer bekeken

De lichtintensiteit is omgekeerd evenredig aan het kwadraat van de afstand


Bij het bepalen van de afstanden in het heelal wordt veelvuldig van deze natuurwet gebruik gemaakt. We meten de hoeveelheid licht die we nog van een ster ontvangen (de schijnbare magnitude), en als we weten hoeveel licht de ster het heelal in jaagt (de absolute magnitude), kunnen we de afstand tot de ster eenvoudig uitrekenen. In het woordje ‘als’ zit echter de crux, want we moeten dan – net als bij de lamp – wel eerst weten hoeveel licht die ster in totaal uitzendt.


Standaard lamp in het heelal

Een stervende restant van een middelmatig zware ster, een witte dwerg genoemd zal in het algemeen extreem langzaam afkoelen tot een zwarte zeer compacte sintel. Maar als de dwerg onderdeel is van een dubbelster, dan kan het gebeuren dat door de sterke aantrekkingskracht van de compacte witte dwerg materie van de andere ster aangezogen wordt, waardoor de witte dwerg zwaarder en zwaarder wordt. Dat gaat niet lang goed. Doordat de ster door dit ‘kannibaliseren’ dus in massa toeneemt wordt ook haar aantrekkingskracht groter, en daarmee de druk en de temperatuur in de kern van de ster. De witte dwerg herbergt in haar kern zuurstof en koolstof, twee elementen die slechts kunnen fuseren bij een extreem hoge druk en temperatuur. Een druk die de witte dwerg met haar beperkte massa niet kan leveren.


Maar nu door het opzuigen van de materie van haar begeleider de massa van de witte dwerg groter wordt dan ongeveer 1,4 maal de massa van de Zon (de zogenaamde Chandrasekhar limiet klik) gebeurt het onvermijdelijke; zuurstof en koolstof fuseren in een inferno van energie waarbij de hele witte dwerg uiteen gereten wordt. Dit extreem heftige kosmische verschijnsel wordt een type Ia supernova genoemd (klik).

type1a_300dpi 5292 keer bekeken

Artist impression kannibaliserende witte dwerg


De hoeveelheid energie die verschillende type Ia supernovae produceren is vrijwel constant (ongeveer 1,5 ×10⁴⁴ J), want ze is immers alleen afhankelijk van de massa van de dwergster, en die is inmiddels 1,4 maal die van de Zon. Zo’n supernova is vrij eenvoudig te onderscheiden van andere extreme hemelverschijnselen, want typisch doet een Ia nova er 70 dagen over om in lichtsterkte te halveren.


Hier hebben wij dus onze kosmische standaard lamp, met vaste lichtkracht en eenvoudig te herkennen. Een groot voordeel is dat de nova in korte tijd evenveel licht uitzend als enige miljarden sterren en dus tot op extreem grote afstanden zichtbaar is. En nu we weten hoeveel licht zo’n nova uitzendt, kunnen we – net als bij de lamp - de afstand tot de nova uitrekenen.


Roodverschuiving

Het heelal zet uit. Over deze vier woorden heerst veel onbegrip. Het is niet zo dat sterrenstelsels vanuit een centrum wegvliegen de ruimte in, zoals de fragmenten van een explosie. Het heelal zelf, de ruimte zelf, zet uit. Licht dat miljarden jaren onderweg is wordt door deze expansie ‘opgerekt’, het wordt roder omdat de ruimte tussen de golftoppen van het licht en dus de golflengte toeneemt. Hoe langer het licht onderweg is, hoe groter de afgelegde afstand is en hoe meer expansie van de ruimte zelf het licht ondergaat, hoe meer de golflengte toeneemt, hoe ‘roder’ het licht wordt:

wavelength02_figure 5346 keer bekeken

Oprekken van golflengte door kosmische expansie


Nu hebben we aan de kleur van het licht zelf niet al te veel, we weten immers niet precies wat de oorspronkelijke kleur was, dus moeten we iets dieper graven: Als we licht door een geavanceerd prisma sturen (een spectograaf), dan krijgen we iets als dit te zien:

Spectral_lines_continous 5343 keer bekeken

Een willekeurig kleurenspectrum, links kortgolvig energierijk blauw licht en rechts energiearm rood licht met grotere golflengte.


Als we nog beter kijken zien we verticale lijnen op vaste posities in het spectrum:

Spectral_lines_emission without redshift 5329 keer bekeken

Spectraallijnen van een willekeurig element, bijvoorbeeld waterstof.


Zo'n verzameling lijnen heet een emissiespectrum klik. Dat kunnen bijvoorbeeld ‘emissielijnen’ van waterstof zijn. Als een waterstof atoom wordt verhit gaat het elektron in een hogere schil om de kern draaien. En als het atoom afkoelt, valt het elektron terug naar een lagere schil, en zendt het een foton (licht) uit.


Iedere terugval van een elektron naar een lagere schil levert een vaste (gekwantificeerde) hoeveelheid energie, waarbij een vaste frequentie (kleur) van het door het foton geleverde licht hoort. Elektronen die van een hoge schil terugvallen naar een lage veroorzaken fotonen met een hoge frequentie (energie), bijvoorbeeld in het ultraviolette deel van het elektromagnetisch spectrum. Vallen ze van een lage naar een nog lagere schil terug dan worden fotonen met een lage frequentie (energie), bijvoorbeeld in het infrarode deel van het spectrum, uitgezonden.


In onderstaand schema is dit weergegeven. Hier zie je het energieniveau in iedere schil (n) van het waterstofatoom, en welke frequentie (frequentie is energie gedeeld door de constante van Planck) van het spectrum daarbij wordt uitgezonden.

energy levels atom 5285 keer bekeken

Energieniveaus in een waterstofatoom


Er is dus een eenvoudige relatie tussen die vaste hoeveelheid energie en de golflengte van het licht dat dat elektron uitzendt.

Hoe hoger de energie, hoe hoger de frequentie, hoe meer dat lichtflitsje van dat terugvallende elektron naar de energierijke korte golflengtes (dus het blauw) opschuift. En omdat het elektron van verschillende banen terug kan vallen kunnen er verschillende lichtflitsjes ontstaan, ieder flitsje met een vaste hoeveelheid energie, en dus op een vaste plaats in het spectrum zichtbaar.

Het groepje flitsjes dat een waterstofatoom kan uitzenden is goed bekend, evenals de plaats van de emissielijnen (de exacte golflengte van ieder flitsje). Waterstof laat zo (net als ieder element) een duidelijke ‘handtekening’ in het spectrum achter, zeg maar zijn eigen barcode.


Maar wat als het licht door de expansie van het heelal naar rood verschoven is? Dan zullen die barcodes naar rechts, naar het rood moeten verschuiven. Hoe meer naar rechts verschoven, hoe meer de golf is opgerekt, hoe meer het heelal is uitgezet.

 

Spectral_lines_emission without redshift 5329 keer bekeken

Spectral_lines_emission 5320 keer bekeken

Roodverschuiving. De spectraallijnen zijn door expansie naar rood verschoven


De ‘barcode’ van het waterstof is duidelijk te herkennen, maar vergeleken met het 'normale' spectrum boven sterk naar rechts, naar het rood verschoven. En aan de hand van deze roodverschuiving (klik) kunnen we dus berekenen hoeveel de ruimte uitgezet moet zijn in de tijd die de lichtstraal van de supernova naar ons heeft gereisd.


De gereedschappen staan klaar:

• Standaardlamp is aanwezig, dus kunnen we de afstand uitrekenen
• Roodverschuiving is bekend dus kunnen we de expansie van de ruimte over deze afstand uitrekenen.
• En aangezien licht een vaste absolute snelheid heeft, kunnen we uitrekenen hoe lang geleden de supernova plaats vond.
• En omdat we weten hoe lang dit geleden was, kunnen we de expansie door de tijd heen volgen door een aantal nova's op verschillende afstanden te meten

Wordt vervolgd.


(dit is een zeer sterk vereenvoudigde weergave van feiten en methoden waarbij menige nuance bewust is weggelaten)

[317070]

Nog sensationeler zou het zijn, als bleek dat de natuurwetten en -constanten niet overal in het heelal hetzelfde zijn, maar daar is vooralsnog geen spaan van bewijs voor.

Tot nu toe bevestigen waarnemingen van het heelal die homogeniteit en isotropie. Waar we ook kijken, het heelal ziet er op grote schaal ongeveer hetzelfde uit. De gemeten temperatuur, dichtheid en expansiesnelheid komen op grotere schaal netjes overeen met het kosmologisch principe, en dientegevolge zouden ook overal in het heelal dezelfde natuurkundige constantes gelden. Het deel van het heelal rond om ons is dus kennelijk representatief voor het hele heelal.

Een aanpassing van het kosmologisch principe is volgens mij binnen een wetenschappelijke context niet mogelijk, omdat het kosmologisch principe een noodzakelijke voorwaarde is om wetenschappelijk aan kosmologie te kunnen doen.


Ik verklaar me nader:

stel dat het heelal inderdaad niet voldoet aan het kosmologisch principe, dan houdt dat impliciet in dat de sample van het heelal dat we zien vanop aarde (hetgeen slechts een erg klein en select deel is) een niet-representatief sample is. Bijgevolg kun je op wetenschappelijke wijze niet meer aan kosmologie doen, omwille van onvoldoende representatieve samples. Bijgevolg moet je uit contrapositie het kosmologisch principe aannemen als je wetenschappelijk wil aan kosmologie doen.


http://en.wikipedia....gical_principle


Dat wil niet zeggen dat we wetenschappelijk niet kunnen aantonen dat er iets niet klopt aan het kosmologisch principe. Maar wel dat daaruit een erg problematische conclusie volgt.

Als we wetenschappelijk kunnen aantonen dat het kosmologisch principe niet klopt, dan volgt uit de contradictie die we gecreëerd hebben dat we niet aan wetenschappelijke kosmologie kunnen doen vanop onze aarde alleen.


Het bewijs in lekentaal

1) kosmologisch principe is correct => wetenschap => kosmologisch principe is verkeerd CONTRADICTIE

2) => wetenschap is niet mogelijk binnen de kosmologie

[Michel Uphoff]

Als we wetenschappelijk kunnen aantonen dat het kosmologisch principe niet klopt, dan volgt uit de contradictie die we gecreëerd hebben dat we niet aan wetenschappelijke kosmologie kunnen doen vanop onze aarde alleen.

Als de aarde een speciale (of zelfs uitzonderlijke) positie in zou nemen binnen de kosmos, en bijgevolg de kosmos elders anders zou werken dan in onze directe omgeving, dan hebben we inderdaad een probleem. Dat dit dan vervolgens wetenschappelijk verantwoorde kosmologie uitsluit, vind ik een te vergaande conclusie.


Zo zijn wij bijvoorbeeld in staat om de massaverhouding tussen proton en elektron tot op maar liefst 7 miljard lichtjaar ver tot op minder dan een honderdduizendste van een procent te meten en een vrijwel volmaakte overeenstemming in deze verhouding te vinden tussen het hier en nu en het extreem ver en lang geleden klik. Stel nu dat we op deze grote schaal een afwijking in deze verhouding zouden hebben aangetroffen, dan hoeft dat niet de doodssteek voor de kosmologie te zijn, maar zal het een aanpassing vereisen.


Het is nimmer aangetoond, maar ook niet absoluut te verwerpen dat natuurwetten en -constanten op voldoende grote schaal bezien (zeer ver weg, zeer lang geleden of onder zeer extreme omstandigheden) toch blijken te variëren. Erik Verlinde, hoogleraar theoretische fysica bij de UvA is een van de wetenschappers met een dergelijke visie klik .

[Bartjes]

De gereedschappen staan klaar:

• Standaardlamp is aanwezig, dus kunnen we de afstand uitrekenen
• Roodverschuiving is bekend dus kunnen we de expansie van de ruimte over deze afstand uitrekenen.
• En aangezien licht een vaste absolute snelheid heeft, kunnen we uitrekenen hoe lang geleden de supernova plaats vond.
• En omdat we weten hoe lang dit geleden was, kunnen we de expansie door de tijd heen volgen door een aantal nova's op verschillende afstanden te meten

En dan gaat er iets vreselijk mis...


Wordt vervolgd.


(dit is een zeer sterk vereenvoudigde weergave van feiten en methoden waarbij menige nuance bewust is weggelaten)

Mogelijk is dit een detail dat bij de echte berekeningen wel meegenomen wordt, maar je kan dat gereedschap volgens mij niet zonder meer tegelijk gebruiken omdat de bekende wet voor de afnemende intensiteit van licht berust op een niet-vervormde ruimte. Ook is er geen "de afstand" wanneer de ruimte zelf tijdens de reis van het licht uitzet.

Het is nimmer aangetoond, maar ook niet te verwerpen dat natuurwetten en -constanten op voldoende grote schaal bezien (zeer ver weg, zeer lang geleden of onder zeer extreme omstandigheden) toch blijken te variëren.

Als de natuur zich op verschillende plaatsen en tijden verschillend gedraagt, zou je moeten zoeken naar een overkoepelende natuurwet die zulke variaties verklaart.