Kosmologisch nieuws

[Michel Uphoff]

Donkere energie? (vervolg)

Toen Edwin Hubble (klik) in 1923 een voor die tijd extreem krachtige telescoop gebruikte kon hij vaststellen dat de al langer bekende pluizige vlekken aan het firmament geen gaswolken in onze Melkweg waren, maar zelfstandige sterrenstelsels die veel verder stonden. Het heelal bleek in één klap onnoemelijk veel groter te zijn dan gedacht.

Een paar jaar later, in 1929 deed hij aan de hand van de roodverschuiving van het licht van die stelsels een belangrijke ontdekking, de stelsels verwijderden zich van ons, en de snelheid van de verwijdering was ongeveer evenredig aan de afstand. Hoe verder een sterrenstelsel stond, hoe sneller het zich van ons af bewoog. Historisch is dit echter niet juist, want het was Georges Lemaître (klik) hoogleraar te Leuven die een paar jaar eerder dan Hubble de expansie van het heelal en het basale model van de oerknaltheorie beschreef.

Hubble 100 inch Hooker telescoop.jpg (82.92 KiB) 1833 keer bekeken

De 2,5 meter Hooker telescoop waarmee Hubble metingen deed aan de expansie van het heelal.

Van Hubble komt de beroemde Hubble constante klik die inhoudt dat het heelal uitdijt; hoe verder we kijken (in ruimte en terug in de tijd), hoe sneller de sterrenstelsels zich van ons af bewegen.
Overigens gebruikte Hubble destijds niet de hierboven beschreven Ia supernovae als standaard lamp maar een andere standaard, de zogenaamde Cepheïden veranderlijken (klik), sterren waarvan de schijnbare helderheid varieert, en waarvan de absolute lichtproductie en de helderheidsverandering een vaste relatie hebben; hoe langzamer de helderheidsveranderingen, hoe meer licht de ster de ruimte in stuurt.

Zijn zicht was hierdoor beperkt tot de paar Cepheïden die in andere, nabije sterrenstelsels konden worden waargenomen. Aan de hand van de snelheid van het knipperen van deze sterren kon hij de absolute helderheid vaststellen en met de omgekeerde kwadratenwet de afstand tot het sterrenstelsel. Met de beschreven roodverschuiving stelde hij vervolgens de verwijderingssnelheid vast.

Einstein trok enige jaren daarvoor een belangrijke conclusie. Het blijkt dat als je zijn vergelijkingen uitvoert, het heelal in vrijwel alle omstandigheden snel zal instorten of snel uiteen gereten zal worden. En opmerkelijker, dat voor een vlak heelal waarin de sterren(stelsels) dus de tijd krijgen om zich te kunnen ontwikkelen, er een wel erg onwaarschijnlijk precieze verhouding moet zijn tussen de uitdijingsnelheid en de hoeveelheid materie. Hoe ongelofelijk nauwkeurig die balans zou moeten zijn blijkt uit dit grafiekje:

flatness.gif (6.6 KiB) 1883 keer bekeken

Het toevoegen maar 1 gram aan een geschatte dichtheid van 447 triljard gram per cm³ vlak na de oerknal is al voldoende om het heelal na 11 miljard jaar ineen te doen storten en een gram minder is voldoende om het heelal eeuwig uit te laten dijen.

Einstein realiseerde zich deze instabiliteit dus terdege, maar ging om filosofische redenen (onveranderlijk en eeuwig heelal) liever uit van een statisch heelal. Dus voerde hij een kosmologische constante, Lambda, in zijn berekeningen in om aan deze instabiliteit een einde te maken.
Nadat Hubble aangetoond had dat het heelal niet statisch was maar uitdijde, noemde Einstein dit zijn grootste blunder. In de loop der jaren na de ontdekking van Hubble is zijn constante op basis van steeds nauwkeuriger metingen en berekeningen diverse keren aangepast. Een paar artikeltjes terug is de onlangs door de Planck missie verfijnde Hubble constante gemeld: 67,15 km/s per Megaparsec (een Mpc is ruim 3,2 miljoen lichtjaar).

In de 90er jaren gingen twee teams astronomen, een onder leiding van Perlmutter en het andere onder leiding van Riess en Schmidt, onafhankelijk van elkaar op zoek naar de precieze waarde van Q. Men ging er logischerwijs van uit, dat onafhankelijk van de exacte dichtheid van het heelal de uitdijingsnelheid onder de invloed van de zwaartekracht af moest nemen. De mate waarin deze afname - Q genoemd - plaats vond zou een belangrijk bewijs vormen voor de juistheid van de Einsteinvergelijkingen, en meer inzicht geven in de vraag of het Heelal zich op den duur weer zou samentrekken of eeuwig uit zou blijven dijen.
Men maakte hiervoor gebruik van metingen aan een aantal Ia supernovae zodat de aan de hand van de schijnbare helderheid en roodverschuiving van ver verwijderde sterrenstelsel hun afstand en de uitdijingsnelheid ter plaatse kon worden bepaald.

De resultaten zetten de kosmologie op hun kop, het bleek dat de uitdijing op grotere afstanden niet vertraagde, maar versnelde!

Dit is onmogelijk zonder de theorievorming aan te passen. Ter vergelijking: Een omhoog geschoten kogel komt óf terug óf verdwijnt voor altijd de ruimte in, maar in beide gevallen zal hij niet sneller gaan naarmate hij verder van de Aarde af is maar altijd vertragen, tenzij er een andere kracht op uitgeoefend wordt.

De enige manier om de Einsteinvergelijkingen weer te laten kloppen is het invoeren van een Lambda. Zo zijn we weer terug bij de kosmologische constante en lijkt het eerste idee van Einstein alsnog terecht.

Omdat deze kosmologische constante geenszins een vaste waarde behoeft te hebben, en dus helemaal geen constante hoeft te zijn, suggereerde de kosmoloog Michael Turner de term Donkere Energie in plaats van Lambda.

Supernovae en expansie heelal.jpg (265.17 KiB) 1906 keer bekeken

Bron: S. Perlmutter, Physics Today

Hierboven de grafiek van de metingen aan de supernovae (de zwarte puntjes). De rechteras geeft de roodverschuiving weer in Z waarden (een notatiemethode voor roodverschuiving klik) , op de onderste x-as is de leeftijd van het heelal uitgezet. De rode pijl staat op 13,8 miljard jaar, de meest recente schatting van de ouderdom van het heelal.

Uit deze grafiek is op te maken dat na de oerknal de uitdijing eerst sterk was, vertraagde en pakweg 5 miljard de vaart weer oppikte, alsof in het begin de remmende zwaartekracht de overhand had, en later een expansiekracht steeds sterker werd. Opvallend is dat wij volgens deze grafiek ons in een bijzonder fase van de ontwikkeling van het heelal lijken te bevinden, en dat de meest waarschijnlijke donkergroene lijn wijst op een eeuwig versneld expanderend Heelal dat zou kunnen eindigen in een Big Rip (klik).

Inmiddels is de Ia-Redshift meting niet meer de enige reden om een onbekende expanderende kracht, een donkere energie te vermoeden. Een ervan zal ik, sterk vereenvoudigd, wat nader toelichten:

Baryonische akoestische oscillaties (klik) zijn druk/geluidsgolven die ontstonden door temperatuur- en dus drukverschillen in de superhete materiesoep vlak na de oerknal. Fotonen reizend vanuit het centrum van zo'n drukkern veroorzaakten door de voortdurende botsingen met het plasma een expanderende kracht die, tegen de zwaartekracht in, de materie bolvormig naar buiten stuwde, een beetje te vergelijken met het opblazen van een zeepbel. Toen na 380.000 jaar het heelal transparant werd (zie enige stukjes terug de summiere beschrijving van de oerknaltheorie), viel deze fotonendruk weg en bleven materiebellen over met min of meer gelijke diameters.

Aan de buitenkant van deze bellen zit meer materie dan in het centrum, en die trok zich samen tot sterren en sterrenstelsels. De straal van deze bellen (ook wel de sound horizon genoemd) neemt vervolgens toe door de expansie van het universum. Op dit moment moet zon bel ongeveer 500 miljoen lichtjaar in diameter zijn, maar hoe verder we terug kijken, hoe kleiner dus deze akoestische bellen. Hiermee verkrijgen we dus een soort standaard lengtemaat, want in de kosmische achtergrondstraling (zie voorgaande artikeltjes) moet de 'afdruk' van deze bellen nog te herkennen zijn.

Deze bellen zijn niet zondermeer zichtbaar, ze zijn alleen te detecteren met behulp van statistische technieken over enorme aantallen sterrenstelsels. Een van de statistische analyses is gedaan a.d.h.v. de data van de Sloan Digital Sky Survey klik . De resultaten van dit onderzoek wijzen eveneens op een versnelde expansie van het heelal.

Er zijn ook andere overwegingen, bijvoorbeeld het totale massa-energie budget van het Heelal. Dit blijkt niet te kloppen als we zichtbare en donkere materie, samen met de massa van de herkenbare energie optellen. We komen lang niet toe aan de totaalmassa die nodig is, we missen ruwweg 70%. Dat massa/energie gat zou opgevuld kunnen zijn met donkere energie. Zie ook het Lambda-CDM model klik.

Over het al dan niet bestaan en de aard van donkere energie en -materie bestaan genoeg hypotheses, filosofieën en fantasieën die elkaar vaak deels overlappen:

• De relativiteitstheorieën en natuurwetten behoeven aanpassing of moeten worden ondergebracht in overkoepelende wetten, die ze weer alom geldend maken
• Donkere materie en energie bestaan niet, maar zijn gaten in onze kennis
• De zwaartekrachtwetten kloppen niet op grote schaal zie bijvoorbeeld de Modified Newton Dynamics (MOND), klik
• De natuurconstanten zijn geen constanten, want ze variëren als ze op voldoende grote ruimte/tijd schaal worden beschouwd
• Het vacuüm van het heelal veroorzaakt een negatieve druk die de zwaartekracht tegenwerkt
• Het kosmologisch principe behoeft correctie op zeer grote schaal
• Er is een vijfde fundamentele kracht, kwintessens. Deze variabele kracht is verantwoordelijk voor de uitdijing klik
• Achter de waarnemingshorizon trekt materie het heelal naar een nieuwe oerknal toe, het heelal oscilleert
• Er bestaat een dark fluid, die donkere materie en donkere energie vervangt
• De lichtsnelheid is niet altijd 300.000 km/s geweest, maar in de loop der miljarden jaren afgenomen
• De standaard kaarsen (met name Ia novae) zijn geen echte standaarden, hun helderheid varieerde in de loop van de geschiedenis.
• ....

Hoe dan ook iets, en we hebben eigenlijk geen idee wat, draagt zorg voor het versneld uitdijen van het heelal of onze zorgvuldige metingen kloppen niet omdat we iets werkelijk fundamenteels missen.
Vooralsnog lijkt de mysterieuze donkere energie de beste papieren te hebben, maar mij zou het niet echt verbazen als dit over een tijdje weer anders ligt.

In het vervolg een beschrijving van een recent gestart onderzoek naar het bestaan en de aard van donkere energie.

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

[Wien Ee]

Ik begrijp iets niet van deze kosmologie. Al jaren niet helaas. Mijn vraag: Waarom zou het uiteengaan van sterrenstelsel minder worden als gevolg van de zwaartekracht?

...

Men ging er logischerwijs van uit, dat onafhankelijk van de exacte dichtheid van het heelal de uitdijingssnelheid onder de invloed van de zwaartekracht af moest nemen ....

Als het zo is, zoals je schrijft, dat het heelal op grote schaal homogeen is, dan zal ieder willekeurig sterrenstelsel van alle kanten evenveel zwaartekracht ondervinden. Sommige stelsels die dicht bij elkaar staan zullen natuurlijk wel naar elkaar toe bewegen. Maar op grote schaal ondervinden sterrenstelsel van alle kanten evenveel zwaartekracht, is er geen versnelling van de sterrenstelsels naar elkaar toe. Dit in de veronderstelling dat het heelal geen rand heeft, dat wil zeggen oneindig groot is.

...

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

...

Sinds de oerknal zet het heelal uit. De ruimte zélf zet uit.

...

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.

...

Maar waarom zou zwaartekracht dit kunnen stoppen? Waarop berust die veronderstelling. Dat twee stukken materie naar elkaar toe bewegen als gevolg van zwaartekracht, is duidelijk. Maar dat zwaartekracht de ruimte zelf zou kunnen verkleinen, heb ik nooit ergens onderbouwd gezien. Het uitdijen van het universum hoeft geen kracht te zijn, het kan ook een opgelegde beweging zijn, toch?

[Michel Uphoff]

Stephen Hawking beschrijft het ongeveer als volgt:


"Er wordt wel geopperd dat een oneindig homogeen gevuld heelal niet kan samentrekken omdat de materie geen centraal punt heeft om naar toe te vallen. Dat is een van de valkuilen die je tegen kan komen als je over oneindigheid denkt. Je zou moeten beginnen met een eindig heelal (dat bij een kritische dichtheid omega groter dan 1 samentrekt als er geen donkere energie of Lambda is). Als je om deze samentrekkende bol homogeen massa rondom toevoegt verander je niets aan de zwaartekracht in de initiële bol want het netto zwaartekracht effect van die toegevoegde homogene schil materie is nul. De materie van deze schil zal door de samengebalde materie in de bol mee doen aan de krimp. Nu kunnen we nog een schil toevoegen en nog een en zo tot in oneindigheid. Dus moet het oneindige heelal ook kunnen samentrekken bij voldoende kritische dichtheid."

Dit in de veronderstelling dat het heelal geen rand heeft, dat wil zeggen oneindig groot is.

Dat hoeft niet hetzelfde te zijn. Een onbegrensd maar eindig heelal is evenzeer mogelijk (denk aan de bekende ballon analogie). Verder hoeft een oneindig groot heelal niet per se een oneindige hoeveelheid materie te herbergen.


Overigens is een van de voorwaarden dat het heelal dus niet volmaakt homogeen is, anders was het nimmer tot de vorming van sterren et cetera toegekomen. Er zijn dus dichtheidsverschillen (zie eerste stukje over de superstructuur). Het is in te denken dat áls het heelal al zou krimpen, deze opeenhopingen van materie de eerste zijn van de bollen in de uitleg van Hawking.


Inderdaad moet met een krimpend heelal ook de ruimte-tijd steeds sterker gekromd raken, het omgekeerde proces van de Oerknal, het ultieme black hole klik.


Zie ook: dit

[Wien Ee]

Ik begrijp de redenering nu. Bedankt. Het is wel even wennen. Voor mijn gevoel spoorde het niet met de eerste wet van Newton:

Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich rechtlijnig met constante snelheid voort.

Cleaver_3_1.png (210.74 KiB) 1866 keer bekeken

Gebruik makend van de bekende ballon analogie die je noemde (vierde dimensie waarin ons drie dimensionale heelal uitdijt) kan ik me het samentrekken door zwaartekracht het gemakkelijkst indenken. De resulterende zwaartekrachtvectoren die op een voorwerp werken zijn dan niet nul, maar resulteren in een samentrekkende kracht.

PressureVesselSpherical.gif (4.85 KiB) 1823 keer bekeken

[Michel Uphoff]

Met die ballon analogie kan je ook aanschouwelijk maken, dat de 1e wet van Newton niet wordt geschonden. Er verandert niets van plaats, de coördinaten van de sterrenstelsels blijven exact gelijk bij een krimpend of uitdijend heelal. Er komt dus geen Newtoniaanse 'eigenbeweging' aan te pas.

(vierde dimensie waarin ons drie dimensionale heelal uitdijt)

Dat wordt vaker zo gesteld, en is een van de zwakke kanten van de ballon analogie. Die ballon dijt inderdaad uit in onze atmosfeer, maar het heelal dijt niet uit in een omhullende 4e dimensie. Als je naar de ballon kijkt, moet je alleen dat oneindig dunne vlies van het oppervlak beschouwen, dát is het heelal, het alles dus. En dat 'alles' dijt dus nergens in uit.


Sommigen vervangen de radius door de tijd, in de ballon het verleden, samenvallend met het oneindig dunne vlies is dan het hier en nu, en buiten de ballon dus de toekomst. Leuk om zo een idee te krijgen van de ruimte-tijd en om over door te filosoferen, maar of de analogie daarmee nog wel voldoende overeenkomsten heeft met de realiteit heeft is de vraag. Aan de andere kant, dat kan je over een 11 dimensionaal heelal uit de M-theorie misschien ook wel zeggen.

[Michel Uphoff]

Uit bericht #2:

Tijdens deze doodsstuip (supernova) van de enorme blauw-hete sterren van de eerste generatie ontstonden in seconden de zeldzamer zware elementen als goud en uranium.

Ontstaan van zware elementen.

Hoe de elementen tot en met ijzer ontstonden is goed begrepen, iedere opeenvolgende fusie tot dit element levert energie op en is zo mede verantwoordelijk voor opeenvolgende fusies. Maar fusie tot een nog zwaarder element dan ijzer kost echter energie. Veel kosmologen achten het onwaarschijnlijk dat zelfs tijdens de extreem energierijke doodsstuip van een zware ster (een supernova) er voldoende energie en tijd is om via neutronenvangst deze zware elementen aan te maken in hoeveelheden die overeenstemmen met wat wij in het heelal meten.


Dus hoewel de meeste populaire bronnen nog steeds melden dat de supernova's via een proces dat neutron en protonvangst genoemd wordt verantwoordelijk zijn voor de vorming van de zware elementen, is deze hypothese allerminst breed gedragen. Voor meer inzicht in fusiereactie in een ster zie deze link.

Neutronensterren

Een neutronenster is het restant van een supernova. Door de cataclysmische omstandigheden tijdens het ineenstorten van een zeer zware ster wordt de ster kern zo sterk samengeperst dat in het atoom de elektronen de kern binnentreden en de protonen in de kern met de elektronen samensmelten tot neutronen. Het restant is eigenlijk een reusachtige atoomkern met een hardheid miljoenen keer groter dan die van diamant.


Zo'n neutronenster is slechts een tiental kilometers in doorsnede, maar wel ruwweg 2 zonmassa's zwaar en kent dus ook een ongelofelijk hoge dichtheid; een suikerklontje materie van een neutronenster zou hier op Aarde ongeveer 700 miljoen ton wegen. Op de neutronenster zelf zou het gewicht van dat blokje materie door de enorme gravitatie nog heel veel groter zijn.


De zwaartekracht aan het oppervlak van een neutronenster is zo enorm dat een object dat van slechts een meter hoogte valt na een microseconde neerkomt met een snelheid van paar miljoen kilometer per uur. De zwaartekracht zorgt er tevens voor dat het oppervlak gladder is dan enig bekend voorwerp, en de atmosfeer een paar duizendsten van een millimeter dik is.


Een neutronenster is een van de meest bizarre objecten in het heelal.

Black hole

Uit het Pauli principe komt de ontaardingsdruk voort die er voor zorgt dat de neutronenster niet ineenstort tot een zwart gat. Maar zou de oorspronkelijke ster nog wat zwaarder geweest zijn, zo rond 10 zonmassa's, dan zou ook deze ontaardingsdruk onvoldoende zijn om de totale ineenstorting tot een zwart gat te voorkomen. Zie hiervoor de Tolman Oppenheimer Volkoff limiet klik .


Als twee neutronensterren in botsing met elkaar komen, verdubbelt de gezamenlijke massa, en dat is meestal voldoende om de druk op te laten lopen boven deze TOV limiet, en dus storten beide sterren ineen tot een zwart gat. Bij deze extreem energierijke en zeldzame gebeurtenis, vele keren krachtiger dan een supernova, ontstaan volgens de huidige inzichten de korte gammaflitsen.

BH-KB-GRB.jpg (551.35 KiB) 1850 keer bekeken

Over het ontstaan van gammaflitsen (klik voor volledige grootte)


Materie in een wolk rond de samengesmolten neutronensterren stort met vrijwel de lichtsnelheid het zojuist ontstane zwarte gat in, en dit maakt ongelofelijke hoeveelheden energie vrij. Een deel van de materie wordt in twee bundels langs de magnetische polen van het black hole het heelal in gejaagd, en bereikt vrijwel de lichtsnelheid. Een deeltjesversneller van astronomische proporties. De gammaflits kan met gemak een compleet sterrenstelsel overstralen en is na de Oerknal het meest energierijke evenement in het heelal.

Nieuwe hypothese

Een paar dagen geleden werd door de wetenschappers Berger, Fong en Chornock van het Harvard-Smythonian Center for Astrophysics een alternatieve verklaring gegeven voor het ontstaan van de zwaarste elementen. Het wetenschappelijk paper is als bijlage toegevoegd.


In de nagloed van zo'n gammaflits, GRB130603B (Gamma Ray Burst jaar 13, maand 6 dag 3, nummer 2) zo'n 6 weken geleden ontdekt door de Swift satelliet zijn aanwijzingen gevonden dat zo'n fusie van twee neutronensterren, conform alternatieve hypotheses over het ontstaan van de zware elementen, inderdaad een plaats lijkt waar de zwaarste elementen als bijvoorbeeld goud, thorium en uranium ontstaan.

Grb130603N.jpg (125.91 KiB) 1845 keer bekeken

De nagloed van GRB130603B. Linksboven het midden het sterrenstelsel met ongeveer 200 miljard sterren, rechtsonder het midden de nagloed van de GRB. Bron Harvard-Smythonian.


Een botsing van twee neutronensterren is een zeldzame gebeurtenis. Er wordt geschat dat er in een sterrenstelsel met 200 miljard sterren, zoals de Melkweg, zich eens in de ruwweg 50.000 jaar zo'n botsing voordoet. Gammaflitsen zijn tot nu toe alleen waargenomen in de miljarden sterrenstelsels ver van ons weg. De Swift satelliet neemt ongeveer 100 GRB's per jaar waar, zoals deze die op ongeveer 3,9 miljard lichtjaar afstand ontstond en toch tot een van de meest nabije ooit waargenomen behoort. Een gammaflits in onze Melkweg kan, als een bundel naar de Aarde gericht staat, desastreuse gevolgen voor ons hebben.


De flits van GRB130603B duurde maar 0,2 seconden, maar onder meer door de Magellan telescoop in Chili en de Hubble telescoop is de nagloed nauwkeurig geobserveerd, en die bleek af te wijken van wat verwacht werd. Het infrarode licht kwam verrassend sterk overeen met de gloed die men aantreft bij het verval van exotische zware elementen. Het zogenoemde R-proces (klik) is verantwoordelijk voor de creatie van de zwaarste elementen die, radioactief als ze zijn, zeer snel vervallen tot zware elementen als goud en uranium een proces waar gigantische aantallen neutronen voor benodigd zijn.



Twee neutronensterren smelten samen tot een zwart gat Bron: Harvard-Smythonian Center for Astrophysics

Schatting hoeveelheid zware elementen

Men berekende dat de gamma ray burst ongeveer 1% van een zonmassa aan materie het heelal in blies, waarvan een fractie (ongeveer 1/100.000) bestond uit goud. Die fractie van 1% zonmassa is overigens nog evenveel als ruim vijf keer de massa van onze Maan.


En als we op basis van deze massa, het aantal sterrenstelsels en de frequentie van deze botsingen gaan rekenen, dan blijkt dat dit soort botsingen op zichzelf al voldoende is om de aanwezigheid van al het goud in het heelal en in de Aarde te verklaren.

Hoe het komt dat de zware elementen als goud zich in de Aarde niet mooi homogeen vermengd hebben met de andere stoffen en zich in duidelijke concentraties voordoen (tot ons geluk, want homogeen vermengd goud zou door zijn zeldzaamheid zo goed als onvindbaar zijn geweest), is een nauwelijks begrepen vraagstuk.


Hiermee is overigens niet bewezen dat de zwaarste elementen niet zouden kunnen ontstaan bij een supernova, maar het is wel waarschijnlijker geworden dat -als het al gebeurt- het een mogelijk onbeduidende hoeveelheid is, en dat de meest energierijke processen in het heelal vlak voor het ontstaan van een black hole verantwoordelijk zijn voor het leeuwendeel van de zwaarste elementen.


De Aarde en wijzelf zijn grotendeels sterrenstof, maar bestaan dus waarschijnlijk ook voor een deel uit afval ontstaan bij de geboorte van een zwart gat.

[Michel Uphoff]

Domper voor de Wimps
 
Enige berichten terug (klik) werd bericht:

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.

Inmiddels heeft men met de LUX drie maanden lang onderzoek gedaan. LUX staat voor Large Underground Xenon experiment, een forse detector gevuld met meer dan 300 kg vloeibaar xenon, van min 100 graden Celsius. Om storing van de metingen door andere deeltjes te beperken is de detector ruim 1,5 km diep in het Sanford Underground Research Facility, een oude goudmijn in South Dakota, geplaatst.

De detector heeft zijn hoogste gevoeligheid bij een WIMP massa van 33 GeV/c², dat is meer dan drie keer zo gevoelig als ieder voorgaand instrument. Voor Wimps met een lagere massa is de gevoeligheid zelfs 20 keer zo hoog als de voorgangers.

lux.jpg (98.31 KiB) 1828 keer bekeken

De lux detector. Bron: Sanford

Op basis van de detectie van drie mogelijke Wimps (zie het boven aangehaalde bericht) zou te verwachten zijn dat deze veel gevoeliger detector eens per 80 minuten een Wimp-event zou vinden. In de drie waarnemingsmaanden dus een totaal van 1600 events.

Er werden in de drie testmaanden geen enkel Wimp event gevonden.

De in het eerdere SCDMS experiment gedetecteerde drie WIMPs zouden een geschatte massa hebben van 8,6GeV, wat veel vragen opriep. De gevonden massa zou dan op of zelfs onder de door theoretici berekende bodemwaarde liggen. De gevoeligheid van de LUX detector voor laag energetische WIMPs is veel hoger, en nu er geen aangetroffen zijn is het zeer onwaarschijnlijk dat de eerdere metingen werkelijk een glimp van een Wimp waren.

We find that the LUX data are in strong disagreement with low-mass WIMP signal interpretations of the results from several recent direct detection experiments.

Toch laat men zich niet ontmoedigen door dit resultaat. De plannen voor een duizend keer gevoeliger detector, de LUX-ZEPLIN met 7 ton vloeibaar xenon zijn in een vergevorderd stadium.


Meer lezen: klik

Wetenschappelijk paper: klik

[Michel Uphoff]

Geen super- maar een hyperstructuur
 
In het openingsbericht meldde ik de ontdekking van een superstructuur van 4 miljard lichtjaar, en dat is een dermate grote afmeting dat het kosmologisch principe mogelijk in gevaar zou komen.


Twee Bulgaarse en een Amerikaanse astronoom stellen in een artikel in Arxiv een hyperstructuur in het heelal te vermoeden. Tot die conclusie komen zij na statistische analyse van de verdeling van alle 283 Gamma Ray Bursts die tot op heden zijn waargenomen.


Deze extreem heldere flitsen ontstaan bij de vorming van een zwart gat tijdens de doodsstuip van supermassieve sterren of de samensmelting van twee neutronensterren (zie ook dit bericht). Conform het kosmologische principe zouden ze gelijk verdeeld over alle richtingen moeten voorkomen.


De astronomen claimen dat er op basis van hun analyse een structuur van 10 miljard lichtjaar doorsnede op een afstand van eveneens 10 miljard lichtjaar kan bestaan. Daartoe deelden ze de flitsen in groepen op basis van afstand. Een set van 31 flitsen zou zich op 10 miljard lichtjaar afstand volgens de gebruikte statistische methode opvallend groeperen:

grb.jpg (38.52 KiB) 1833 keer bekeken

De 31 gammaflitsen op grote afstand en hun verdeling.
Bron: I. Horvath, J. Hakkila, Z. Bagoly


De astronomen erkennen dat 283 flitsen (in feite slechts de groep van 31 stuks) niet direct de meest uitbundige dataset is, en ze hopen dan ook dat de waarneming van meer gammaflitsen hun vermoeden van grootschalige anisotropie zal staven.


Het betreffende paper vind je in de bijlage.

[Michel Uphoff]

Kosmologische meetlat verfijnd
 
In DIT voorgaande stukje schreef ik wat over de baryonische akoestische oscillaties.


Op basis van data van Planck (zie ook DIT bericht) zijn de oorspronkelijke afmetingen van deze bellen in de hete oersoep vastgesteld en hun huidige afmetingen (500 miljoen lichtjaar in doorsnede) zijn bepaald. De bellen zijn allemaal even groot, en zo vormen ze een meetlat; hoe verder weg hoe kleiner de schijnbare diameter.


Overigens is het geen sinecure de diameter van de bellen te bepalen; ze kan alleen statistisch worden afgeleid uit de ruimtelijke verdeling van vele honderdduizenden sterrenstelsels. Het BOSS-team is er in geslaagd deze verdeling nauwkeuriger dan ooit te bepalen aan de hand van metingen aan 1,2 miljoen sterrenstelsels.

BAO.png (557.48 KiB) 1838 keer bekeken

Artist impression van de baryonische bellen. De ordening van de sterrenstelsel aan de rand van de bellen is sterk overdreven weergegeven. Bron: Sloan Digital Sky Survey


Het resultaat is volgens de onderzoekers dat de afstanden van sterrenstelsels tot op meer dan zes miljard lichtjaar van de aarde met een nauwkeurigheid van 1 procent gemeten zijn. Een nauwkeurigheid die tot heden alleen gehaald werd bij zeer nabije objecten.


De BOSS-metingen wijzen erop dat de donkere energie in de loop van de miljarden jaren niet aantoonbaar sterker of zwakker is geworden.


Meer lezen bij de Sloan Digital Sky Survey: KLIK

[Flisk]

In je post 23, is dat dit?

[Michel Uphoff]

Dat klopt. Deze (mogelijke!) structuur heeft wat later pas de naam "Hercules-Corona Borealis Great Wall" gekregen. Jammer dat Wikipedia het monster brengt als een feit, want daar is Horvath c.s. niet zeker van.


Horvath zelf zegt er over: "I have no idea how something that big could have evolved."

Wikipedia:

The Hercules–Corona Borealis Great Wall greatly exceeds the homogeneity scale. In accordance of this, the structure, would still be heterogeneous as compared to the other parts of the universe even at the scale of the "End of Greatness", thereby putting the cosmological principle into further doubt.

...

The structure also poses a problem to the current models of the universe's evolution. At a distance of 10 billion light years means that we see the structure as it was 10 billion years ago, or roughly 3.8 billion years after the Big Bang. The current models of the universe's evolution, however, do not allow the said structure to form in just a mere 3 billion years. The structure was itself too big, and too complex, to exist so early in the universe. There is currently no existing model to explain the existence of the structure.

Als het bestaan van deze superstructuur verder wordt bevestigd, dan hebben we het over een monsterlijke massa van misschien wel 1.5 10¹⁹ zonnen, oftewel ruwweg 25 miljoen keer de massa van de melkweg en over een extra probleem m.b.t. het kosmologisch principe.

[Michel Uphoff]

Wetenschappelijke doorbraak?

 

Uit bericht #2:

Het vrijwel puntvormige heelal begon uit te zetten met een snelheid die alle begrip te boven gaat, en werd 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.

 

Het was Alan Guth die in 1980 deze inflatie opperde als een mogelijke oplossing van een paar belangrijke maar zeer hardnekkige problemen in de kosmologie. Later werden door de Russische wetenschapper Andrei Linde belangrijke veranderingen aangebracht waardoor het ruwe idee van Alan uitgroeide tot de inflatietheorie.


De inflatie is een noodzakelijke aanname om het vlakheids- (klik) en het horizonprobleem (klik) op te lossen, tevens biedt het een goede verklaring voor de homogeniteit en isotropie van het heelal, het zogenaamde kosmologische principe (klik). Een prettig leesbare samenvatting van een dissertatie over dit onderwerp vind je hier. De inflatie wordt wel de 'knal' van de oerknal genoemd.

Mogelijk groot nieuws:

Vandaag is bekend gemaakt dat waarnemingen gedaan door een team onder leiding van John Kovac met de Bicep₂telescoop op de zuidpool deze inflatietheorie waarschijnlijker maken. Het Bicep₂ instrument op de zuidpool is is specifiek ontworpen om subtiele polarisatiepatronen van licht op te sporen, het acroniem staat dan ook voor "Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization nr.2".


Het team maakte vandaag bekend dat inderdaad het specifieke gekrulde polarisatiepatroon gevonden is, dat volgens hun met een hoge mate van waarschijnlijkheid (>5σ) overeenkomt met de theoretische voorspellingen van 30 jaar geleden.


In de kosmische achtergrondstraling (zie ook bericht #3) is dan de 'vingerafdruk' gevonden die deze extreem heftige en kortstondige gebeurtenis moet hebben achtergelaten. De inflatieperiode moet volgens de Algemene Relativiteitstheorie ongehoord krachtige zwaartekrachtgolven, rimpelingen van de ruimtetijd, hebben veroorzaakt.

Deze rimpelingen hebben op hun beurt de zwakke nagloed van de kosmische achtergrondstraling op een zeer specifieke manier (b-mode genoemd) gepolariseerd en deze polarisatie zou ook nu nog in de kosmische achtergrondstraling gemeten kunnen worden a.d.h.v. minieme temperatuurverschillen (in de orde van 0,0001K).

 

 

Have you detected B-modes from inflation?

Bicepkeck team:

We have detected B-mode polarization at precisely the angular scales where the inflationary signal is expected to peak with very high significance (> 5 sigma). We have extensively studied possible contamination from instrumental effects and feel confident we can limit them to much smaller than the observed signal. Inflationary gravitational waves appear to be by far the most likely explanation for the signal we see.

BICEP2.png (266.26 KiB) 1809 keer bekeken

Het krullend b-mode polarisatiepatroon gevonden in de achtergrondstraling. Bron Bicepkeck

Zeer belangrijke ontdekking!

Dit is - als het door vervolgwaarnemingen wordt bevestigd - een grote ontdekking. Niet alleen krijgt dan de oerknaltheorie een nog veel steviger fundament, maar ook de waarneming van (de polarisatie door) zwaartekrachtgolven op grotere schaal is een primeur. Ook Einsteins Algemene Relativiteitstheorie, die dergelijke golven voorspelt, krijgt hiermee wederom extra ondersteuning. Hiernaast wordt ook de kwantummechanica, die de kwantumzwaartekrachtfluctuaties voorspelt die aan de basis liggen van minieme verschillen in massaverdeling in het heelal een stevige steun in de rug gegeven.


We konden tot vandaag in de achtergrondstraling een 'babyfoto' bewonderen van het slechts 380.000 jaar jonge heelal, wat al fantastisch is. Maar nu de zwaartekrachtgolven hun zichtbare afdruk in dit decor achtergelaten hebben, krijgen we een beeld van de geboorte van het heelal, van de creatie van ruimtetijd en materie, van alles waar het heelal en wij uit bestaan. Indrukwekkend!

Vervolgwaarnemingen:
Als de waarnemingen bevestigd worden door vervolgonderzoek, is dit een grote dag voor de wetenschap, en is de theorievorming van Guth en Linde en het onderzoek van het Bicep2 team waarschijnlijk Nobelprijswaardig.

De eerste Planck resultaten van een jaar geleden (zie ook bericht #3) leverden echter nog geen informatie over de b-mode polarisatie op. Dus nog even geduld voor de definitieve uitslag.

 

At the present stage of analysis, and with the data currently available, there are unexplained residuals in the survey-to-survey di fference maps that are comparable to or larger than an expected B-mode signal. For these reasons, we are delaying the use of CMB polarization measurements from Planck from cosmological analysis until we have a firmer understanding and control of such systematic effects.

 

 

In mei dit jaar worden vervolgresultaten van de Planck missie bekend gemaakt. Als ook Planck de specifieke b-mode polarisatie op meerdere golflengten aantreft, is dat mosterd na de maaltijd voor het Planck team, maar wel een krachtige bevestiging van de resultaten van Bicep_2,die een bescheiden stukje hemel scant, terwijl Planck het hele firmament in kaart heeft gebracht..



De rechterhand van John Kovac, Chao-Lin Kuo komt persoonlijk het nieuws over de ontdekking aan Andrei Linde brengen.

Bicep2 telescoop.png (256.59 KiB) 1809 keer bekeken

[/size]
De Bicep₂(klik) telescoop op de zuidpool.

Meer lezen:
BicepKeck faq: klik
Nieuwsbericht Stanford: klik
Nieuwsbericht Boston.com: klik
Blog van Liam McAllister, Cornell University: klik
Wetenschappelijk paper: 

b2_respap_arxiv_v1.pdf

(2 MiB) 299 keer gedownload

[Michel Uphoff]

Expansiesnelheid van het heelal
 
In bericht 24 (klik) schreef ik onder meer:

 

Het resultaat is dat de afstanden van sterrenstelsels tot op meer dan zes miljard lichtjaar van de aarde met een nauwkeurigheid van 1 procent gemeten zijn. Een nauwkeurigheid die tot heden alleen gehaald werd bij zeer nabije objecten.

 

Gisteren werd door het Boss team van de Sloan Digital Sky Survey een nieuwe uitkomst van de metingen aan de baryonische akoestische oscillaties bekend gemaakt. Nu de diameters van deze kosmische bellen een stuk nauwkeuriger bekend is, kan gekeken worden wat de effecten zijn op quasarlicht dat in de loop der tijd door deze bellen reist. Een wat vereenvoudigde uitleg:


Quasars (klik) kunnen tot op enorme afstanden worden waargenomen, en enorme afstanden betekent ook: Licht uit een zeer jong heelal. Dat quasarlicht reist naar ons door de kosmische bellen, en wordt door de materie in de wanden van de bellen enigszins gedempt. Door te kijken naar die demping van het licht van een bepaalde golflengte (neutraal waterstof)  kan de schijnbare diameter (de hoekgrootte) van zo'n bel worden vastgesteld. Omdat alle bellen in beginsel een ongeveer gelijke diameter hebben, kan zo de afstand tot de bel bepaald worden. En omdat de afstand bepaald kan worden, is de leeftijd van de bel toen het licht er doorheen trok bekend.

Image1.jpg (320.37 KiB) 1806 keer bekeken

Meting van de diameter van een baryonische bel. Bron: Boss team


Het zo op een bepaalde golflengte wat gedempte licht trekt vervolgens door een jongere bel dichterbij. Omdat de ruimte zelf expandeert, expandeert ook de golflengte van het door de eerste bel gemodificeerde licht. Dit licht dat vervolgens door de wanden van een meer nabije bel trekt zal dan op een wat hogere frequentie dan in de eerste bel worden gedempt. Met deze tweede wat afwijkende demping kan dan de schijnbare diameter en de afstand van de tweede bel worden bepaald.
 
Uiteindelijk zal dat licht van waterstof op diverse posities in het spectrum dempingen vertonen door de randen van bellen die steeds dichterbij en steeds jonger zijn. Door deze metingen te doen aan de hand van het achtergrondlicht van meer 140.000 quasars kan na een complexe analyse de diameter van de bellen door de tijd heen worden bepaald. Bellen waarvan we weten, dat ze oorspronkelijk allemaal ongeveer even groot waren. Nu kunnen we bepalen hoeveel ze op verschillende afstanden (leeftijden) opgerekt zijn.

precise_expansion.jpg (289.23 KiB) 1807 keer bekeken

Meting van de diameter van meerdere baryonische bellen. Bron: Boss team


Op deze manier is het de wetenschappers van het Boss team gelukt de expansiesnelheid van het heelal meer dan 10 miljard jaar terug vast te stellen. Deze expansie was volgens de onderzoekers 1 procent per 44 miljoen jaar, dat is 220 kilometer per seconde per megaparsec. Dat is 3,25 maal zo hoog dan de meest recente door Planck (zie ook bericht #3) bepaalde waarde van de Hubble 'constante'. Men claimt een precisie van ongeveer 2 procent, veruit de hoogste nauwkeurigheid voor deze afstand.


Het is van belang de expansie van het heelal gedurende haar levensduur nauwkeurig in kaart te brengen om zo meer inzicht te krijgen in de nog steeds hypothetische donkere energie, die verantwoordelijk zou zijn voor de versnellende expansie van het heelal. De verhoudingen tussen donkere materie en donkere energie bepalen het verloop van de expansie van het heelal, wat weergegeven wordt in dit grafiekje:

fate_of_universe.jpg (98.77 KiB) 1807 keer bekeken

Recente waarnemingen wijzen er op dat het heelal versnelt volgens de rode curve. Dit impliceert dat er iets als 'donkere energie' met een sterke negatieve druk (vergelijkbaar met de kosmologische constante) zou moeten bestaan. Als het correct is dat donkere energie een belangrijke rol speelt in de evolutie van het heelal, is het waarschijnlijk dat het heelal voor eeuwig en steeds sneller zal expanderen.

 
Bron: Boss team klik

Wetenschappelijk artikel: 

lyaauto.pdf

(1.61 MiB) 512 keer gedownload

[Michel Uphoff]

Kritiek op Bicep₂
 
De publicatie van de  'geboortefoto' van het heelal was wereldnieuws (zie bericht #26). Nu liggen de onderliggende metingen stevig onder vuur. "Niet rijp genoeg", "gevallen voor publicatiedrang", "teveel haast". Aldus de kritiek van een aantal wetenschappers.
 

Uit bericht #29: Medio dit jaar worden naar verwachting vervolgresultaten van de Planck missie bekend gemaakt. Als ook Planck de specifieke b-mode polarisatie op meerdere golflengten aantreft, is dat mosterd na de maaltijd voor het Planck team, maar wel een krachtige bevestiging van de resultaten van Bicep_2,die een bescheiden stukje hemel scant, terwijl Planck het hele firmament in kaart heeft gebracht..

 
En daar zit volgens een aantal wetenschappers de zwakke plek in het onderzoek door het Bicep₂ team onder leiding van John Kovac. Het Bicep₂ team heeft een bescheiden stukje hemel uitgekozen ver verwijderd van het galactische rotatievlak en onderzocht op een enkele golflengte, in de veronderstelling dat zich daar, behalve wat weggefilterde buitenregionen van de Melkweg, vrijwel niets op de voorgrond kon bevinden dat de metingen zou beïnvloeden.
 
En deze veronderstelling is de achilleshiel van het onderzoek; althans volgens Subir Sarkar van de universiteit van Oxford. In een paper (zie bijlage) toont hij aan dat het waarschijnlijk is dat er zich in de voorgrond resten van sterexplosies in de vorm van magnetisch stofdeeltjes bevinden. Deze deeltjes kunnen gelijksoortige polarisatiepatronen van microgolven opleveren. Het gescande stukje hemel lijkt zo schoon dus niet.
 
Natuurlijk wordt wel begrepen dat als de resultaten van metingen zo netjes overeen stemmen met de theorie, het uitermate verleidelijk is snel te publiceren. Maar veel astrofysici zouden het verstandiger gevonden hebben om op meer bewijs van Planck te wachten.
 

Bicep2 area.jpg (41.78 KiB) 1805 keer bekeken

Het door Bicep2 gescande deel van het firmament. Bron: Philipp Mertsch
 
In het paper stelt Sarkar c.s.:

We have found evidence of local galactic structures such as Loop I in the ILC map of the CMB which is supposedly fully cleaned of foreground emissions. This contamination extends to high galactic latitude so the usual procedure of masking out the Milky Way cannot be fully effective at removing it. It extends to sufficiently high frequencies that it cannot be synchrotron radiation but is more likely magnetic dipole emission from ferro- or ferrimagnetic dust grains, as suggested by theoretical arguments.
..
This radiation is expected to be highly polarised. It has not escaped our attention that the lower part of Loop I, in particular the additional loop structure identified by Wolleben (2007), crosses the very region of the sky from which the BICEP₂ experiment has recently detected a B-mode polarisation signal. This has been ascribed to primordial gravitational waves from inflation because available foreground models do not correlate with the BICEP maps. The new foreground we have identifed is however not included in these models. Hence the cosmological signifcance if any of the detected B-mode signal needs further investigation. Forthcoming polarisation data from the Planck satellite will be crucial in this regard.

 
Bijlage:

Fingerprints of galactic loop.pdf

(2.28 MiB) 408 keer gedownload

[/size]
 
Wordt vast vervolgd..

[Michel Uphoff]

Kritiek op Bicep₂ zwelt aan

 

Begin juni kwamen dan eindelijk de Planck resultaten, en helaas kunnen deze de claim van het Bicep₂ team niet ondersteunen, noch ontkrachten. Waarom niet wordt in een oogopslag duidelijk uit deze afbeelding waar ik de 'Planckfoto' van de kosmische achtergrondstraling en het door de Bicep telescoop onderzochte gebied heb samengevoegd:

 

Milky_Way_s_magnetic_fingerprint.jpg (69.65 KiB) 1806 keer bekeken

Bron: Planck missie, Bicep₂ team, overlay: M.U. Klik voor grotere afbeelding.

 

Het blijkt zeer moeilijk de eventuele polarisatie op de voorgrond te meten, en het Planck team meldt dat de onzekerheden over het niveau van de voorgrondpolarisatie in het (naar aangenomen door het Bicep₂ team, zeer stofarme) gebied te groot zijn om nu al enigszins betrouwbare uitspraken te doen. De kaart is op het cruciale gebied nog leeg.

 

Naar verwachting komt er in het najaar een uitgebreider analyse van de Planck data, mogelijk zelfs een gemeenschappelijk paper van het Europese Planck en Amerikaanse Bicep2 team. Onderhandelingen over samenwerking en onderlinge data-uitwisseling zijn volgens BBC News op dit moment gaande.

 

De onzekerheid over het gevonden resultaat zal nog wel even blijven voorbestaan, en inmiddels heeft het Bicep₂ team bij de uiteindelijke publicatie van hun paper in Physical Review Letters (bijlage) duidelijk gas terug genomen:

 

Bicep₂team: However, these models are not sufficiently constrained by external public data to exclude the possibility of dust emission bright enough to explain the entire excess signal.

 

Over de Planck data: Thus while these papers do not offer definitive information on the level of dust contamination in our field, they do suggest that it may well be higher than any of the models considered.

 

Over het vervolg: More data are clearly required to resolve the situation. We note that cross-correlation of our maps with the Planck 353 GHz maps will be more powerful than use of those maps alone in our field.

 

Wetenschappelijk paper 20/6 in Physical Review Letters: 

PhysRevLett.112.241101.pdf

(1.66 MiB) 274 keer gedownload