sciencetalk

Wat hebben kleine maar oeroude zwarte gaten, donkere materie, onverklaarde flitsen, uiteenspattende neutronensterren en goud met elkaar te maken?

 

Twee recente wetenschappelijke artikels beschrijven de mogelijke samenhang en opperen naast een verklaring voor donkere materie ondermeer oplossingen voor het ontstaan van de zeldzame elementen en de enigmatische fast radio bursts. In de vorm van een aantal vragen zal ik de diverse elementen van het probleem kort bespreken:

 
Waar bestaat donkere materie uit?

Over donkere materie is op dit forum veel geschreven, en de aard van dit vreemde 'spul' is nog steeds niet bekend. De geopperde WIMPS (zware deeltjes die vrijwel geen elektromagnetische interactie kennen) als bron voor de donkere materie worden maar niet gevonden, en ook een andere deeltjeskandidaat de steriele neutrino, houdt zich -als het al zou bestaan- nog steeds zeer goed verstopt.

 
Bestaan zwarte oergaten?

Al eerder zijn andere objecten als mogelijke bron van donkere materie aangemerkt, waaronder de zogenoemde primordial black holes.

Deze (voornamelijk zeer kleine) zwarte gaten zouden bij triljarden kunnen zijn ontstaan vlak na de oerknal zo is de gedachte. Kleine dichtheidsvariaties in de superhete en extreem dichte oersoep zouden kunnen leiden tot razendsnelle vorming van materieconcentraties. Met zoveel 'spul' vlak in de buurt van zo'n concentratie is het denkbaar dat er in korte tijd voldoende naar binnen valt en er kleine zwarte 'oer'gaten ontstaan.

 
Waar komt goud vandaan?

In een ster worden uit waterstof (dat vlak na de oerknal werd gevormd) via een proces van opeenvolgende fusies de zwaardere elementen gesmeed. Alle veel voorkomende primaire elementen zoals bijvoorbeeld silicium, zwavel, zuurstof, koolstof, argon, calcium, chroom, mangaan, nikkel en ijzer ontstaan in de fusieovens van sterren.

 

"Wij zijn sterrenstof" wordt wel eens poëtisch gesteld, een andere meer prozaïsche gedachte is: "Wij zijn kernafval"..

 

Aan dat fuseren zit echter een grens. Fuseren tot ijzer kan in de zwaarste sterren optreden omdat het fusieproces tot aan dit element energie oplevert. Fusie tot nog zwaardere elementen dan ijzer kost echter energie, en is in een sterkern onmogelijk.

De algemene gedachte is, dat zware (en veel zeldzamer) elementen als goud, platina, uranium en dergelijke deels ontstaan tijdens een supernova, de doodsstuip van een enorme ster. Gedurende zeer korte tijd zijn de energieniveaus tijdens de explosie zo hoog dat via het R-proces (snelle neutronenvangst) de zeldzame zware elementen worden gevormd. Hiernaast kunnen in zogenoemde AGB sterren door het S-proces (trage neutronenvangst) in een veel trager tempo ook zwaardere elementen ontstaan uit een ijzer 'zaadje' dat neutronen verzamelt en 'opgewaardeerd' wordt tot een zwaarder element.

 

Maar de gedachten over dit vormingsproces zijn bepaald niet zonder debat. Zo lijkt het niet aan te tonen dat er gedurende voldoende lange tijd voldoende energie voorhanden is voor de vorming van de zeldzame elementen. Daarnaast blijkt uit observaties, dat er sterrenstelsels zijn waarin deze zware elementen zo goed als ontbreken, waarvoor ook geen afdoende verklaring gegeven kan worden. (Zie ook dit bericht)

 
Wat veroorzaakt de Fast Radio Bursts?

In dit topic wordt nader ingegaan op deze enigmatische extreem felle, en zeer korte flitsen van radiogolven die van ver uit het heelal komen. De oorsprong is vooralsnog niet bekend, van alles passeert de revue tot aan buitenaardse beschavingen toe, en het is een van de hot topics in de hedendaagse astronomie.

 

Grafiek van een FRB, die korter dan 1 milliseconde duurde. Afbeelding: de dispersie (vertraging van aankomsttijd) op verschillende golflengten. Een verschil in aankomsttijd van minder dan 1 seconde over 8 miljard jaar verraadt de hoeveelheid materie die zich tussen ons en het verre sterrenstelsel moet bevinden.

 
Waar zijn de neutronensterren?

Neutronensterren zijn de 'sintels' die overblijven als een zeer zware ster aan zijn einde is gekomen. Bizarre objecten, meer informatie daarover hier. 10 tot 20 kilometer in diameter maar wel een paar zonmassa's zwaar. Deze soms extreem snel roterende (tot wel 700 omwentelingen per seconde) ongelofelijk dichte bollen materie bestaan grotendeels uit neutronen. Een  tot op heden niet verklaarde waarneming is, dat neutronensterren zich vrijwel niet ophouden in de dichtbevolkte kern van onze Melkweg. Juist daar zou je ze verwachten.

 
Infogram neutronenster. Bron: Nasa

 

 

Alexander Kusenko en Eric Cotner van de universiteit van Californië komen met een hypothese die bovenstaande vraagstukken samenbrengt en tracht op te lossen. Zij opperen in hun papers (zie de bijlagen) dat:

1. De primordial black holes bij triljarden gevormd kunnen zijn, en verantwoordelijk kunnen zijn voor een deel van de, mogelijk alle, donkere materie. Veel van deze oergaten, waarvan de overgrote meerderheid een massa zou hebben van 'slechts' 10²⁰ kg,  fuseren tot de superzware zwarte gaten in de kernen van vrijwel ieder sterrenstelsel.
2. Wanneer (vooral in een dichtbevolkte kern van een sterrenstelsel) zo'n microscopisch oergat een neutronenster ontmoet, het zwarte gat naar het centrum van de neutronenster zakt, en deze van binnen uit op begint te vreten.
3. Ten gevolge van deze vreetpartij de diameter van de neutronenster afneemt, en deze vanwege de wet op behoud van impulsmoment steeds sneller gaat roteren, totdat de rotatiesnelheid zoveel is toegenomen dat de neutronenster zijn buitenste delen (barstenvol vol neutronen) de ruimte in slingert.
4. Tijdens deze extreem energetische en zeer kortdurende gebeurtenis worden via het zogenoemde r-proces (klik), de zware elementen als goud en dergelijke gevormd.
5. Een gevolg van deze gebeurtenis is dat er een Fast Radio Burst wordt uitgezonden.

Het is een hypothese, meer is het nog niet. De wetenschappers geven aan dat door middel van waarnemingen de hypothese bevestigd kan worden.

 

Ik heb er wel de nodige vragen bij, bijvoorbeeld:

Een van de onderliggende processen bij de vorming van de kleine oergaten is de vorming van zogenoemde Q-balls waarvoor de theoretische, maar nog lang niet aangetoonde, supersymmetrie als uitbreiding op het standaardmodel noodzakelijk is.

Meer over deze vreemde en hoogst theoretische Q-balls hier.

 

Zou deze hypothese stand houden, dan biedt nog geen verklaring voor de ene Fast Radio Burst bron in een klein sterrenstelsel op 3 miljard lichtjaar, die inmiddels tientallen van deze energetische pulsen heeft uitgezonden (klik).

 

Het bestaan van primordial black holes is niet aangetoond, hoewel er vrij recent een effect (weak Einstein lensing) is waargenomen bij een ster, dat goed verklaard kan worden met een zwaardere PHB, maar een zwaluw maakt nog geen zomer en ook andere verklaringen zijn geopperd.

 

Bijlagen:

Ik heb al moeite me een neutronenster voor te stellen. Met daarin ook nog vloeibaar neutronium. Laat staan dat er ook nog een (oer?) zwart gat in gaat verzinken. 
 
Maar ok, stel dat dat allemaal zo is, en dat zwart gat dat Neutronium "opeet". Hoe kan daar iets aan gaan ontsnappen, zoals Goud enz.?  

Die primordial black holes vind ik ook een lastige - hoeveel zouden dat er dan moeten zijn en hoe zwaar per stuk? Heel erg licht (zeg zo zwaar als de maan of minder) kunnen ze niet zijn, dan zouden ze inmiddels wel 'verdampt'. Als ze heel zwaar waren dan zouden we ze kunnen waarnemen. 
 
Dat een neutronenster materie de ruimte inslingert bij contact met een zwart gat lijkt me wel aannemelijk: zo'n ster draait om zn as, en als je aan de buitenkant er materie vanaf gaat trekken dan gaat het restant steeds sneller draaien. Uiteindelijk zodanig dat het door cetrifugaalkrachten uit elkaar spat, waarbij een deel het zwarte gat in gaat, maar ook een deel enorm snel wordt weggeslinggerd. 
 
Dat zou dan een flinke lading neutronen opleveren die mogelijk interacteren met andere materie, of domweg vervallen tot waterstof. 

Heel erg licht (zeg zo zwaar als de maan of minder) kunnen ze niet zijn, dan zouden ze inmiddels wel 'verdampt'.

 
In het paper wordt 10²³ gram genoemd, 10²⁰ kg. Dat is ruwweg 700 keer lichter dan de Maan. De Schwarzschildstraal van zo'n Primordial Black Hole (PBH) is dan slechts 150 nanometer. Maar als je gaat berekenen wat de 'verdampingssnelheid' door Hawking straling is van een dergelijke massa, dan kom je toch nog op een levensduur van een whopping 2,6.10³⁶ jaar, heel veel langer dan de leeftijd van het heelal. Een micro black hole met een massa van 'slechts' 1,7.10¹¹ kg, (de massa van een kleine aardse berg,  of een stenen kubus met een ribbe van 400 meter) zou al een levensduur ongeveer gelijk aan die van het huidige heelal hebben.
 

Dat een neutronenster materie de ruimte inslingert bij contact met een zwart gat lijkt me wel aannemelijk: zo'n ster draait om zn as, en als je aan de buitenkant er materie vanaf gaat trekken dan gaat het restant steeds sneller draaien.

 
De materie wordt van binnenuit opgevreten door het PBH. De massa blijft dus initieel hetzelfde, maar de straal neemt af. Behoud van hoekmoment vereist een dermate hoge centripetaalkracht dat zelfs de enorme gravitatie van de krimpende neutronenster op een bepaald punt te gering wordt. Dan wordt een deel van de ster de ruimte in geslingerd met relativistische snelheden.
 

Hoe kan daar iets aan gaan ontsnappen, zoals Goud enz.?

 
De neutronenster bevindt zich niet geheel in het zwarte gat, dus een deel van de materie ligt buiten de Schwarzschildstraal (het point of no return). De rotatiesnelheid is dan theoretisch in staat de gigantische gravitatiekrachten te overwinnen. Wat er weggeslingerd wordt zijn vooral neutronen. Die vormen via het genoemde r-proces in seconden dan de zeldzamer zware elementen.

Ooit gelezen dat de snelst gemeten rotatie v/e Neutronenster ca 711 O/s was. Lijkt me dat het wel iets?? groter moet zijn om materiaal weg te slingeren. Blijft onvoorstebaar.
 
Als ik het goed begrijp zijn er nu 2 manieren om Au enz te vormen.

700 omwentelingen per seconde komt bij een neutronenster neer op een omtreksnelheid van ongeveer 45.000 km/s, toch al zo'n 15% van de lichtsnelheid. Als nu de neutronenster in diameter maar niet in massa afneemt, zal het toerental vanwege het behoud van impulsmoment oplopen tot veel meer dan 700/s.
 
Ja, er zijn twee manieren om de zware elementen te vormen; traag in AGB sterren via het s-proces en snel tijdens supernovae via het r-proces. Ook bij de vorming van zwarte gaten en de fusie van twee neutronensterren zou het r-proces mogelijk kunnen voorkomen. Zie de links in het artikeltje voor een beschrijving van deze processen.