Universum Archieven - Pagina 22 van 31

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

‘Vorig universum bestond uit antimaterie’

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

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

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

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

Big Bang door antimaterie-afstoting?

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

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

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

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

Donkere energie en donkere materie niet meer nodig

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

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

Theorie getest

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

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

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

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

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

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

Forensisch bewijs

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

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

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

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

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

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

Exobiologen bedachten in opdracht van NGC Aurelia, een bewoonbare planeet die om een rode dwergster draait. OP de plek waar de zonnestraling maximaal is, vormt zich een eeuwige wervelstorm.

Bewoonbare zone Melkweg groter dan gedacht

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 11 juli 2011 11 juli 2011

Niet alleen de afstand van een planeet tot een ster, maar ook de plaats van de ster in de Melkweg moet aan strenge voorwaarden voldoen om leven mogelijk te maken. Ongeveer anderhalf procent van de Melkweg is in staat complex leven te onderhouden. Wat maakt onze omgeving zo uniek?

Twee Goudlokjeszones
Astrobiologen hebben lang discussie gevoerd over het idee dat planeten alleen in staat zijn leven te ondersteunen als vloeibaar water op het oppervlak van de planeet bestaat. Het is duidelijk dat dit aleen lukt als de temperatuur van de planeet op die van de aarde lijkt. Dat op zijn beurt stelt weer eisen aan de afstand van de planeet tot zijn ster. De zoektocht naar planeten in deze zogeheten Goudlokjeszone (of bewoonbare zone) is nu met de lancering van exoplanetensatelliet Kepler in een stroomversnelling geraakt. Echter: de ontwikkeling van leven stelt nog een tweede voorwaarde. Er zijn namelijk maar een beperkt aantal sterren, geconcentreerd in een klein deel van de Melkweg, waaromheen zich aardachtige planeten kunnen vormen.

Volgens het standaardmodel op dit moment bevinden deze sterren met aardachtige planeten in een torus (donutachtige ring) met een dikte van enkele duizenden lichtjaar rond het centrum van de Melkweg. Bewoonbare planeten vormen zich niet snel dicht bij het galactische centrum of er ver vandaan.

Leven blijkt in veel groter gebied mogelijk

Een supernova (rechts) staat op het punt een einde te maken aan het leven op een planeet in het centrum van de Melkweg.

Michael Gowanlock van de Universiteit van Hawaii in Honolulu en enkele van zijn collega’s, komen nu echter met een nieuwe kaart van de bewoonbare zone in de Melkweg welke afwijkt van dit standaardmodel. De bewoonbare zone van de Melkweg is veel complexer dan een simpele torus.

De nieuwe kaart gebruikt de laatste ontdekkingen over exoplaneten om de bewoonbare zone in de Melkweg vast te stellen. In het bijzonder hebben astronomen kort geleden vastgesteld dat exoplaneten zich veel sneller rond sterren met veel zware atomen vormen, dan rond sterren die vrijwel alleen uit de twee lichtste elementen, waterstof en helium, bestaan: een eigenschap die metalliciteit wordt genoemd. De eerste sterren in het heelal, populatie-III, bestonden geheel uit de tijdens de Big Bang gevormde waterstof en helium (en een spoortje lithium), maar genereerden zwaardere elementen toen ze uitgeput raakten en explodeerden als supernova. De volgende generatie (populatie-II) sterren vormde zich uit de overblijfselen van deze supernova’s en bevatten zo zwaardere elementen. Supernova’s vormen zich vooral in het centrum van de Melkweg, waar de sterren dicht opeengepakt zijn. Helaas hebben supernova’s de onhebbelijke eigenschap alle leven tot op enkele lichtjaren afstand te steriliseren. Het vernietigende stralingsbombardement van een supernova laat weinig over van de atmosfeer van een aardachtige planeet. Zonder atmosfeer zijn er maar weinig mogelijkheden voor complex leven om zich te ontwikkelen. Teveel supernova’s veranderen aardachtige planeten dus in levenloze rotsballen. Kortom: ook teveel supernova’s betekent: geen leven.

Leven toch mogelijk in centrum Melkweg
De vraag die Gowanlock en zijn mede-auteurs zich stellen is hoe deze processen zich uitbalanceren: de snelheid van planeetvorming, het aantal supernova’s en de tijd die nodig is voor complex leven om zich te ontwikkelen, uitgaande van ons geval-aarde. Hun antwoord: bewoonbare planeten in het centrum van de Melkweg komen zo veel voor dat zelfs als veel van hen worden vernietigd door supernova’s, er toch nog zeer veel overblijven om complex leven zoals wij dat kennen te ontwikkelen. Hun model suggereert dat 2,7 procent van alle sterren in de kern van de Melkweg bewoonbare planeten kan hebben. En ook verder weg kunnen zich bewoonbare planeten vormen, naar schatting van Gowanlock en collega’s een kwart procent.

Dat is veel meer dan wat het standaard torusmodel voorspelt. Dit betekent dat een significant deel van alle sterren verspreid door de gehele Melkweg potentieel interessant zijn voor exoplanetenjagers. “We voorspellen dat plm. 1,2% van alle sterren een planeet herbergt die ooit in zijn bestaan in staat was om complex leven te ondersteunen”, aldus Gowanlock en zijn collega’s.

Tidally locked

Helaas is er een probleempje. Ongeveer driekwart van deze bewoonbare planeten staat zo dicht bij hun ster dat ze altijd hetzelfde halfrond naar hun ster keren. Dit kan een probleem vormen. Astrobiologen debatteren fel over de bewoonbaarheid van planeten die altijd hetzelfde halfrond naar hun moederster wenden.

Een exoplaneet met deze eigenschap is bijvoorbeeld de super-aarde rond Gliese 581, die dicht genoeg bij het rode-dwergsterretje staat om genoeg opgewarmd te worden voor leven, maar daarom waarschijnlijk door de enorme zwaartekrachtsinvloed ook (net als de Maan richting de aarde) hetzelfde halfrond naar de zon gekeerd houdt. Eén halfrond van deze planeet zou worden verschroeid door de zon terwijl de andere helft een eeuwige ijsnacht kent.

Science fiction schrijvers hebben beschreven hoe het leven in een dergelijke ringvormige bewoonbare zone zou zijn: een smalle strook land die begrensd wordt door vuur en ijs. Misschien dat de planeet een beetje wiebelt (libratie) net als de Maan. Naar we nu weten is dit beeld wat te naief, maar creatieve exoplaneetdeskundigen kwamen met andere modellen, zoals de verre wereld Aurelia en de Kosmische Oogbal.

Bronnen
1. Gowanlock et al., A Model of Habitability Within the Milky Way Galaxy (2011)
2. Astronomers Publish New Map of Galactic Habitable Zone, MIT Technology Review Arxiv Blog (2011)

Tegen de klok indraaiende melkwegstelsels komen op het noordelijk halfrond vaker voor dan met de klok meedraaiende stelsels, zoals dit.

Het heelal draait

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 9 juli 2011 9 juli 2011

Astronomen en natuurkundigen hebben lang geloofd dat het universum spiegelsymmetrie heeft, zoals een basketbal. Recent onderzoek van de universiteit van Michigan laat echter zien dat het vroege heelal om een as draaide.

De kunst van nieuwe dingen ontdekken is vaak de juiste vraag stellen. Dat deden professor natuurkunde Michael Longo en een team van vijf studenten catalogiseerden de rotatierichting van tienduizenden spiraalstelsels die gefotografeerd zijn in de Sloan Digital Sky Survey. Als er meer stelsels tegen de klok in draaien dan met de klok mee (of andersom), is dat een bewijs dat het heelal blijkbaar een draairichting oplegde aan de stelsels die zich er in bevinden. Een symmetriebreuk dus, of in natuurkundigen-speak: een pariteitsschending.

De onderzoekers ontdekten inderdaad dat melkwegstelsels de neiging hebben in een voorkeursrichting te draaien. Ze ontdekten een overmaat aan linkshandige, of tegen de klok in draaiende, spiralen in het deel van de hemel richting de galactische noordpool. Het effect bleek zich voort te zetten tot verder dan zeshonderd miljoen lichtjaar weg.

De overmaat is klein, ongeveer zeven procent, maar de kans dat dit bij toeval tot stand komt is ongever een op een miljoen, aldus Longo. In tegenstelling tot wat tot nu toe gedacht, blijkt het heelal dus wel degelijk niet symmetrisch te zijn. Dit zegt ook het een en ander over de Big Bang. Een symmmetrisch universum moet zijn begonnen met een hypersfeer (vierdimensionale bol)-vormige explosie. Als het universum is geboren met een draaiende beweging, zoals een ronddraaiende bal, moet het een voorkeursas hebben en, heel belangrijk, moeten melkwegstelsels die draaiing behouden hebben.

Draait het universum nog steeds? Volgens Longo is het antwoord hierop ja – en verklaart dit het resultaat dat hij vond. De telescoop waarmee de foto’s zijn gemaakt, de Sloan telescoop in New Mexico, maakt voornamelijk foto’s van de sterrenbeelden boven het noordelijk halfrond. Als bij sterrenstelsels in het zuidelijk halfrond een precies omgekeerde rotatie (dus met de klok mee) wordt gevonden, bewijst dit dat het fenomeen werkelijk bestaat en niet berust op een bizar toeval. Dit onderzoek is op dit moment aan de gang.

Bronnen:
1. Longo, Michael J. , Detection of a dipole in the handedness of spiral galaxies with redshifts z not, vert, similar 0.04, Physics letters B (2011)
2. The universe may have been born spinning, according to new findings on the symmetry of the cosmos, physorg.com (2011)

Luskwantumzwaartekracht sneuvelt

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 1 juli 2011 18 december 2021

Volgens sommige natuurkundige theorieën, zoals luskwantumzwaartekracht en sommige varianten van de snaartheorie, is ruimte en tijd op de extreem kleine afstand van Planck korrelig. Dat zou moeten blijken uit verschillen tussen gammastraling met hoge en lage energie die miljarden jaren heeft gereisd. European Space Agency’s Integral gamma-ray observatory toont echter geen verschillen. Er zijn dus helemaal geen korrels, of ze zijn veel en veel kleiner dan tot nu toe gedacht. Dus exit luskwantumzwaartekracht. Ruimtetijd is duidelijk nog veel vreemder dan we ons tot nu toe voor konden stellen…

De koude oorlog tussen kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie

Alle natuurkunde zoals we die op dit moment kennen, berust op twee grote theorieën. De algemene relativiteitstheorie van Einstein, die de zwaartekracht beschrijft en de kwantummechanica, die in drie (of twee) versies voorkomt: QED (voor elektromagnetisme) en QCD, voor de sterke kernkracht. De zwakke kernkracht is samengevoegd met de elektromagnetische kracht in de zogeheten elektrozwakke wisselwerking. Deze kwantumtheorieën samen heten het Standaardmodel.
Het goede nieuws is dat alle tot nu toe bekende natuurkundige verschijnselen met deze twee theorieën zeer nauwkeurig beschreven kunnen worden. Wel moeten er heel wat natuurconstanten kunstmatig ingevoerd worden. Denk aan dingen als de massa van een elektron of de sterkteverhouding tussen krachten. Iets wat natuurkundigen een gruwel is. Dat riekt immers naar knoeien. Het slechte nieuws is dat de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica, voorzichtig uitgedrukt, niet dol op elkaar zijn. Elke poging deze twee samen te voegen leidt tot wiskundige nachtmerries. Einstein stierf terwijl hij tevergeefs probeerde de Theorie van Alles te vinden.

De Theorie van Alles
Er zijn twee scholen in de kwantumzwaartekracht: natuurkundigen die uitgaan van Einsteins algemene relativiteitstheorie en van daaruit de kwantummechanica proberen te verklaren en natuurkundigen die uitgaan van kwantummechanica en daaruit de relativistische theorie proberen te verklaren. De voornaamste ‘contenders’ in de strijd om de Theorie van Alles zijn de snaartheorie (waar er overigens zeer veel van zijn) en de luskwantumzwaartekracht. De snaartheorie komt van oorsprong uit de deeltjesfysicahoek en gaat dus uit van het Standaardmodel, de luskwantumzwaartekrachtstheorie gaat uit van de algemene relativiteitstheorie.

Voorspelling luskwantumzwaartekracht komt niet uit
Luskwantumzwaartekracht voorspelt dat de ruimte op zeer kleine schaal uit ondeelbare korrels bestaat: ‘atomen’ dus van ruimtetijd. Deze ‘korrels’ zijn zo groot als de Plancklengte: een onvoorstelbaar kleine 1,6 * 10^-35 meter. Ter vergelijking: als een proton zo groot zou zijn als de aarde, zou deze lengte ongeveer honderd protonen achter elkaar zijn. Deze atomen verstoren extreem energierijke deeltjes. Hoe energierijker een deeltje, des te korter de golf die er bij hoort en hoe groter de effecten van de ruimtetijdkorrels worden. Het gevolg is dat zeer energierijke gammastraling meer verstoord wordt door de ruimtetijdatomen dan weinig energierijke gammastraling. Door gammaflitsen waar te nemen van miljarden lichtjaren afstand, worden de effecten van de ruimteatomen sterk vergroot.

Verwerping luskwantumzwaartekracht bewijst dat het hier om een volwaardige natuurkundige theorie ging
Helaas voor de aanhangers van de luskwantumzwaartekracht: er blijken geen verschillen te zijn. Zowel energierijke als energiearme gammastraling blijken even sterk verstrooid te worden. Er is zelfs een nieuwe bovenlimiet voor de grootte van ruimteatomen: 10^-48 m. Dat is tien biljoen maal kleiner dan de “limiet” van de Plancklengte. Kortom: exit loop quantum gravity. Een bittere pil voor LQG-grootheden als Smolin en de zijnen. Toch kunnen deze mensen op één ding terecht trots zijn. Hun theorie was in tegenstelling tot de snaartheorie, experimenteel te verwerpen. Dat is nu ook gebeurd. Zoals een echte wetenschappelijke theorie betaamt.

Er is helaas geen fysisch experiment te bedenken waarmee de snaartheorie is te verwerpen. Lees deze interessante column: string theory: not even wrong. De snaartheorie is maar op één manier om zeep te helpen: Occams Scheermes.

Bron:
Quantum ‘Graininess’ of Space at Smaller Scales? Gamma-Ray Observatory Challenges Physics Beyond Einstein (Science Daily, 2011)

De Trifidnevel is een zeer complexe gaswolk. En, zo blijkt, het toneel van het eerste harde bewijs wat de missing link is bij stervorming.

‘Sterren vormen als wolken botsen’

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 22 juni 2011 22 juni 2011

De geboorte van sterren is nog steeds een raadsel. Astronomen hebben ruwweg een idee hoe stervorming plaatsvindt. De missing link ontbreekt echter. Tot nu toe, althans. Het lijkt erop dat nu voor het eerst bewijs is gevonden voor het exacte stervormingsmechanisme.

Sterren vormen, weten we uit astronomische waarnemingen aan bijvoorbeeld de Pleiaden, in enorme wolken gas en stof. Op dit moment denken de meeste astronomen dat normale turbulentie sommige delen van de wolk dichter maakt dan andere. Zodra dit gebeurt, neemt het zwaartekrachtsveld het over, trekt meer massa samen en creëert zo een dichte kluwen gas en stof. Hoe groter dit kluwen wordt, hoe heter, tot de temperatuur en druk in het centrum zo hoog wordt dat atoomkernen beginnen samen te smelten. De protoster begint te schijnen en een nieuwe ster is geboren.

Dit model roept echter de nodige vraagtekens op. De voornaamste vraag: waarom hebben sterren van een bepaald type de neiging zich in clusters binnen een wolk te vormen in plaats van evenwichtig verdeeld in het volume van de wolk?

Het is duidelijk dat stervorming veel gecompliceerder werkt dan het simpele proces dat hierboven is beschreven. Astronomen denken te weten waarom. Volgens de beste theorieën botsen de wolken, bijvoorbeeld de wolken die ontstaan door een supernova-ontploffing, met elkaar als ze uitzetten. Op de interface waar deze botsing plaatsvindt, is er een plotselinge snelle verhitting van gas. Dit zet stervorming in gang. Hoewel dit zinnig klinkt, is er nauwelijks hard bewijs dat het ook werkelijk zo werkt. Het is namelijk heel moeilijk de bewegingen van de wolken na de botsing na te trekken. Tot nu toe.

Kazufumi Torii van de Japanse Nagoya Universiteit met wat collega’s hebben naar eigen zeggen twee botsende gaswolken gevonden in de Trifid nevel, M20. En dat is nog niet alles. Precies op de plaats waar de twee wolken botsen, vormen zich jonge sterren. Ze denken dat de stervorming op gang is gekomen door de botsing van de twee wolken.

De waarnemingen werden verricht met de NANTEN2 4-meter telescoop in Chili. Om de snelheid van de wolken te meten werd de roodverschuiving van straling afkomstig van het molecuul koolmonoxide (CO) gemeten. Hieruit bleek dat er in de Trifid nevel een groot aantal verschillende wolken voorkwamen, maar twee van hen met verschillende snelheden bevonden zich ongeveer op dezelfde plek. Met andere woorden: ze leken te botsen.

Uit temperatuurmetingen aan de wolken blijkt dat van andere wolken in de Trifidnevel de temperatuur tien kelvin (graden boven het absolute nulpunt) is. Van de twee wolken is de temperatuur vijftig kelvin. Deze wolken zijn duidelijk gebotst, waardoor ze zo sterk op zijn gewarmd. Van essentuieel belang is dat de massa van elke wolk rond de duizend zonnemassa’s is, verspreid over een enorm gebied in de ruimte van rond de acht lichtjaar doorsnede. Deze hoeveelheid massa in sterren, gas en stof is samen ongeveer tien keer te klein om het systeem door zwaartekracht bij elkaar te houden, aldus Torii en collega’s. En toch vormen zich sterren in het gebied. Deze golf van stervorming moet door de botsing in gang zijn gezet, die ongeveer een miljoen jaar geleden plaatsvond. Dat is naar astrofysische maatstaven niet lang.

Een indrukwekkend resultaat. Het is uitermate lastig om twee wolken die zich in elkaar hebben gewrongen te identificeren. In 2009 namen enkele astronomen (waaronder sommige auteurs van dit artikel) een vergelijkbare botsing van wolken waar. Deze botsing leek ook stervorming in in gang te zetten, in de sterrenhoop Westerlund 2.

Dit is dus de tweede keer dat iemand deze vorm van stervorming heeft waargenomen. Toch moet dit mechanisme vaak voorkomen in het universum. Er zijn namelijk nogal wat sterren. Er zullen waarschijnlijk in de toekomst meer voorbeelden worden gevonden. Astronomen denken ook dat de chemische samenstelling en natuurkundige eigenschappen (bijvoorbeeld dichtheid, snelheid, temperatuur) de bepalende factoren zijn bij stervorming. Het is duidelijk dat een botsing van twee gaswolken de chemie en natuurkunde van de wolken behoorlijk laat veranderen. De grote vraag is nu uiteraard: hoe?

Bron
Molecular Clouds in The Triï¬d Nebula M20; Possible Evidence For A Cloud-Cloud Collision In Triggering The Formation Of The First Generation Stars, Arxiv.org (2011)

Onze naaste grote buur, het Andromedastelsel, vormt net als de Melkweg nauwelijks sterren meer. Andere melkwegstelsels zijn hyperactief. Waarom?

Mysterieuze invloed schakelt melkwegstelsels direct uit

4 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 juni 2011 21 juni 2011

Vele miljarden jaren geleden vormde ons melkwegstelsel veel sterren. Nu nauwelijks meer. De overgang moet heel snel zijn gegaan, blijkt nu. Wat is de mysterieuze invloed die melkwegstelsels zo snel het zwijgen oplegt? Zijn we ten dode opgeschreven of is ons melkwegstelsel in staat tot een verjongingskuur?

Bij wetenschappers is al een aantal jaren bekend dat sterrenstelsels in het nabije heelal veel sterren vormen of juist niet. Maar een nieuw onderzoek van het verre heelal laat zien dat zelfs heel jonge sterrenstelsels, tot 12 miljard lichtjaar, hetzij sterren vormen hetzij in slaap zijn, wat betekent dat sterrenstelsels zich op deze manier hebben gedragen voor meer dan 85 procent van de geschiedenis van het universum.

“Het feit dat we zulke jonge sterrenstelsels in het verre heelal die al ophielden sterren te vormen is opmerkelijk,” zegt Kate Whitaker, een Yale University afgestudeerde student en hoofdauteur van het artikel dat is gepubliceerd in de online editie van het Astrophysical Journal op 20 juni.

Om te bepalen of de sterrenstelsels in slaap waren of wakker, verzonnen Whitaker en haar collega’s een nieuwe set filters, die elk gevoelig zijn voor verschillende golflengten van het licht. Deze bevestigden ze op de 4-meter telescoop Kitt Peak in Arizona. Ze bracht 75 nachten door met turen in in het verre heelal en het verzamelen van het licht van 40.000 sterrenstelsels, variërend in afstand van het nabije heelal tot 12 miljard lichtjaren van ons verwijderd. Het resulterende onderzoek is het grondigste en meest complete ooit gedaan op die afstanden en golflengten van het licht.

Het team kwam er achter dat de sterrenstelsels ‘duaal gedrag’ vertoonden op basia van de kleur van het licht die ze uitzenden. Sterrenstelsels met veel stervorming lijken blauwer, omdat ze veel felle, kortlevende blauwe reuzensterren kennen. In passieve slaperige sterrenstelsels zijn deze al lang geleden uitgebrand, waardoor het licht van de langlevende kleine sterren gaat overheersen en het licht naar de rode kant van het spectrum neigt.

De onderzoekers vonden veel meer actieve sterrenstelsels dan slapende, wat overeenkomt met het huidige denken dat sterrenstelsels actief met stervorming begonnen voordat ze uiteindelijk af gingen sluiten.

“We hebben niet veel sterrenstelsels in de tussenstaat aangetroffen”, zegt Pieter van Dokkum, een Yale astronoom en een andere auteur van het artikel. “Deze ontdekking laat zien hoe snel sterrenstelsels van de ene toestand naar de andere springen, van de actieve vorming van sterren tot het stopzetten van stervorming.”

Of de slapende sterrenstelsels volledig zijn afgesloten, blijft een open vraag, aldus Whitaker. Echter, de nieuwe studie suggereert dat de actieve sterrenstelsels sterren vormen met een snelheid, ongeveer 50 keer groter dan hun slaperige tegenhangers.

“Vervolgens hopen we te bepalen of sterrenstelsels heen en weer gaan tussen waken en slapen of dat ze in slaap vallen en nooit meer wakker worden”, aldus Van Dokkum. “We zijn ook geïnteresseerd in hoe lang het duurt tot sterrenstelsels in slaap vallen, en of we één kunnen betrappen terwijl het inslaapt.”

Maar… misschien hebben we de boosdoener al te pakken….

Bronnen
1. Astronomers discover that galaxies are either asleep or awake, Yale University press. comm., (2011)
2. Whitaker, K. et al., THE NEWFIRM MEDIUM-BAND SURVEY: PHOTOMETRIC CATALOGS, REDSHIFTS AND THE BIMODAL
COLOR DISTRIBUTION OF GALAXIES OUT TO Z âˆ¼ 3, Arxiv.org

Het Interstellar Solar Sail, een van de kansrijkere concepten om naar de sterren te kunnen reizen.

Pentagon zoekt genie om naar de sterren te helpen reizen

11 reacties / Filosofie, Ideeën en techniek, Universum / Door Germen Roding / 18 juni 2011 17 juni 2011

DARPA, het onderzoeksbureau van het Pentagon, wil dat iemand een manier bedenkt om naar de sterren te reizen. De winnaar krijgt een half miljoen dollar met het idee. Deze maand hebben honderdvijftig mededingers zich aangemeld. Het plan is om interstellair reizen in ongeveer een eeuw mogelijk te maken.

Het nieuwe zogeheten 100-year Starship Study concept komt van het Defense Advanced Research Projects Agency. het bureau besteedt in totaal een miljoen dollar aan het project. Nadat de deelnemers deze herfst presentaties op een conferentie in Orlando, Florida, hebben gegeven, beslist DARPA in december wie recht heeft op de prijs. De half miljoen is “seed money”, bedoeld om onderzoek te kunnen doen naar het winnende concept. Hiermee kan het dan vanuit de privésector van de grond komen, aldus David Neyland, directeur van DARPA’s afdeling tactische technologie op een persconferentie.

Hij zei er bij dat het hier niet gaat om een reis naar een buurplaneet, zoals Mars, of het sturen van robotsondes. Het ministerie van Defensie is daarin niet geïnteresseerd.

Dit is geen eenvoudig probleem. De interstellaire afstanden zijn enorm. Het licht reist in ongeveer vijf uur van de aarde naar Neptunus, de buitenste planeet. Het licht doet er maar liefst vier jaar over om de dichtstbijzijnde ster, het Alfa-Centauri sterrenstelsel dat uit drie sterren bestaat, te bereiken. Dat is bijna zevenduizend keer zo ver: 25 biljoen kilometer. Deze afstanden zijn zo groot dat een reis waarschijnlijk honderden jaren duurt. Met onze snelste raket van nu zou het meer dan vierduizend jaar duren.

Voor deze reis moeten dus oplossingen bedacht worden voor een verblijf van honderden jaren in de ruimte, wat ethische dilemma’s, geneeskundige vraagstukken, voedselvoorziening en zelfvoorziening op de agenda zet.

Eén van de geïnteresseerden is wetenschapper en miljonair Craig Venter, die mee deed met de poging het eerste menselijke genoom in kaart te brengen. Hij doet nu onderzoek op het gebied van kunstmatig leven en alternatieve brandstoffen.

“We willen de verbeelding van mensen prikkelen.”, aldus Neyland.

Uiteraard zijn er ook in de door economische tegenspoed geteisterde Verenigde Staten de nodige criticasters op dit plan. Steve Ellis, vicepresident van de anti-belastingorganisatie Taxpayers for Common Sense, zegt, “Als je naar het universum van mogelijkheden (sic) kijkt waar we geld aan kunnen besteden, moet dit vrij laag op het prioriteitenlijstje komen te staan.” Maar dan nog. Een miljoen dollar. Daar doe je nog niet eens een paar uur Irakoorlog van en laten we eerlijk zijn. Dit is een stuk leuker en fantasievoller dan het zoveelste zinloze bloedvergieten.

Bron:
100 Year Starship Study

De upgrade van het DAMA/LIBRA experiment in 2008 heeft zijn vruchten afgeworpen. Het bewijs dat het experiment donkere materie heeft waargenomen, wordt steeds onomstotelijker.

‘Donkere materie bijna zeker aangetoond’

3 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 8 juni 2011 8 juni 2011

Jarenlang werden ze uitgelachen door de rest van het donkere-materiewereldje, maar het bewijs wordt nu steeds onomstotelijker dat de onderzoekers van DAMA/LIBRA gelijk hebben en dat ze daadwerkelijk donkere materie hebben aangetroffen. Ook de groten gaan nu om. Weer eens een gevalletje Kuhn, zoals zo vaak in de wetenschap.

Donkere materie
Het heelal is gevuld met mysterieus onzichtbaar spul dat niet met licht (of andere waarneembare elektromagnetische straling) reageert. Het zendt geen licht uit en reflecteert, absorbeert of weerkaatst het ook niet. Astronomen weten echter dat het bestaat door de zwaartekrachteffecten op de materie er om heen. Ze noemen het donkere materie.

Er is alleen een probleem. Als donkere materie bestaat, moet er heel veel van bestaan om de ontbrekende materie te verklaren: ongeveer 83 procent van alle massa in het heelal moet uit donkere materie bestaan, alleen de overige 17% is zichtbaar. Ook ons zonnestelsel zou vergeven moeten zijn van dit spul, maar waar deeltjesjagers ook kijken, ze vinden niets.

DAMA en CoGENT toonden beiden een merkwaardige jaarlijkse piek begin mei, precies als de aarde de meeste donkere materie opveegt.

Donkere materie bestaat…
Dat wil zeggen: de meesten. De afgelopen jaren is één groep wetenschappers er van overtuigd dat ze er in zijn geslaagd om donkere materie te vinden. Ze hebben een klont van 250 kilogram natriumjodide (keukenzout, maar dan met jodium in plaats van chloor) met een spoor thallium, in een oude mijnschacht meer dan een kilometer onder de Italiaanse granietberg Gran Sasso opgesteld. Als een exotisch zwaar deeltje botst met een deeltje in dit kristal, ontstaat een foton en moeten de gevoelige lichtdetectoren in de buurt dat waarnemen.

Dit experiment heet DAMA/LIBRA en de resultaten ervan zijn controversieel. Terwijl deeltjes donkere materie fotonen kunnen genereren in het kristal, kunnen andere deeltjes dat ook. Het experiment pikt dus ook achtergrondstraling uit de berg, kosmische straling en thermische neutronen op, wat het experiment behoorlijk wat ruis verschaft.

Aarde veegt donkere materie op
Er is echter een manier om het donkere-materie signaal te scheiden van deze achtergrondruis. De zon draait immers om de melkwegkern heen in ongeveer 200 miljoen jaar. Omdat de aarde rond de zon draait, beweegt de aarde soms tegen de beweging van de zon om de melkwegkern in, zes maanden later (of eerder) beweegt de aarde juist met de zon mee. In het eerste geval zal de detector minder donkere materie ‘opvegen’, in het tweede geval juist meer. Er moet dus een jaarlijks ritme in de waarnemingen van de detector zitten.

Jaarlijkse variatie
Dit is exact wat de mensen van DAMA en LIBRA stellen waar te nemen. Het donkere-materie signaal is op zijn sterkst in mei en valt dan weg. Het gaat hier ook niet om een zwak signaal, maar een signaal dat statistisch gezien zo sterk is dat de kans dat de onderzoekers zich vergissen vrijwel uitgesloten is. Echter, weinig natuurkundigen namen de resultaten van DAMA/LIBRA serieus (hoewel wij op Visionair dit wel deden – zeker gezien een andere opvallende ontdekking: de jaarlijkse periodiciteit van radioactief verval). Dit omdat andere detectors geen signaal waarnamen. Nu begint het ook meer mensen te dagen, omdat in de Amerikaanse detector CoGeNT in een zoutmijn in Minnesota vergelijkbaar bewijs is gevonden als dat in het DAMA/LIBRA experiment. Hun bewijs voor donkere materie is weliswaar statistisch niet zo sterk als dat van DAMA, maar toont exact dezelfde geheimzinnige periodiciteit: een piek einde april-begin mei.

Steeds meer sceptici bekeerd
Dan Hooper van Fermi National Accelerator Laboratory en Chris Kelso van de University of Chicago hebben de data van CoGenT and DAMA/LIBRA geraadpleegd en zeggen dat ze overeenkomen met elkaar. “Als de detector piekt begin mei piekt, zou dat een modulatie betekenen die overeenkomt met die van de DAMA/LIBRA samenwerking. En de beweging van de aarde door de Melkweg. Een gang naar Canossa, gezien het scepticisme waarmee de DAMA/LIBRA mensen werden behandeld. maar hier stopt het bewijs allerminst. Hooper en Kelso zeggen ook dat het type donkere materie dat DAMA/LIBRA en CoGeNT hebben aangetoond, consistent is met andere indirect bewijs van donkere materie uit andere experimenten. Zo heeft de Fermi Gamma Ray Space Telescope een gammaspectrum (energieverdeling van gammastraling) waargenomen dat overeenstemt met het type donkere materie dat DAMA postuleert. De WMAP satelliet heeft ook een lichtgloed waargenomen, uitgezonden door elektronen in de buurt van het hart van de Melkweg.

En er komt nog meer bewijs. Ook het samenwerkingsverband CRESST meldt dat er “sterke aanwijzingen zijn dat er een CoGeNT-achtig donkere-materiedeeltje bestaat”. DAMA/LIBRA noemen was klaarblijkelijk wat te beladen. In enkele maanden is het donkere-materie wereldje radicaal omgeslagen. Na jaren ontbreken van waarnemingen (m.u.v. DAMA/LIBRA), is er nu een lawine van data. Kortom: weer een gevalletje paradigma-shift Ã la Kuhn. De wetenschappelijke wereld vertoont toch opmerkelijk veel kuddegedrag. Waarschijnlijk zullen de geplaagde wetenschappers onder de Gran Sasso nu een welverdiende fles chianti opentrekken en gaan genieten van hun uiteindelijke triomf.

Bronnen
1. The Dark Matter Data Bonanza, Arxiv Blog, MIT Technology Review
2. Dan Hooper en Chris Kelso, Implications of CoGeNT’s New Results For Dark Matter, Arxiv (2010)
3. DAMA/LIBRA experiment

Onze problemen een octopus te begrijpen, geven een goede indruk van wat er nodig is om in de geest van een buitenaards wezen te kijken.

Exopsychologie: wat voor gevoelens zouden buitenaardse wezens hebben?

Laat een reactie achter / Filosofie, Universum / Door Germen Roding / 1 juni 2011 1 juni 2011

Kunnen we per definitie geen uitspraken doen over hoe buitenaardse intelligente wezens denken, of zullen we toch bepaalde menselijke trekken in ze kunnen herkennen?

Dat we niet alleen zijn in het heelal is vrijwel zeker. Minder zeker is of we niet-menselijke intelligenties (anders dan kunstmatige) tegen zullen komen voor we zelf uitsterven. Het ontbreken van overtuigende sporen van Kardashev-II of K-III beschavingen lijkt er op te duiden dat succesvol intelligent leven toch veel zeldzamer is dan de makers van science-fiction films doen voorkomen. Maar stel dat een intelligente buitenaardse soort de aarde zal bezoeken of we op een andere manier met ze in contact zullen komen. Wat voor persoonlijkheid zouden ze hebben?

Proberen een octopus te begrijpen, geeft een goede indruk van wat er nodig is om in de geest van een buitenaards wezen te kijken.

Gevoelens van niet-gewervelden
We delen deze aardbol met intelligente wezens die totaal van ons verschillen: octopussen. Octopussen hebben volledig onafhankelijk van gewervelden een geavanceerd zenuwstelsel ontwikkeld en kennen gevoelens als angst, stress en agressie. Ook kennen ze territoriumdrang en (uiteraard) eetlust en seksdrang. Deze gevoelens zijn universeel en komen bij alle bekende dieren met een hoger ontwikkeld zenuwstelsel voor. We kunnen dus veilig aannemen dat deze gevoelens ook bij aliens voor zullen komen.

Aliens zijn sociale soort
Om een beschaving te vormen die in staat is om naar de sterren te reizen moet een soort een cultuur hebben. Een cultuur betekent veel sociale interacties. De orang-oetan, bijvoorbeeld is een van de meest intelligente mensapen, maar vormt nauwelijks een cultuur omdat de dieren vrijwel geheel solitair leven. Een ras van zeer intelligente orang-oetans komt dus niet ver. Om een cultuur in stand te houden moeten de buitenaardsen veel sociale interactie kennen. We kunnen er dus van uit gaan dat aliens net als wij behoefte hebben aan gezelschap.

Aliens zijn nieuwsgierig
Om een geavanceerde cultuur te ontwikkelen moeten aliens ontembaar nieuwsgierig zijn. Dat is namelijk de kenmerkende eigenschap geweest van alle geleerden en onderzoekers die verantwoordelijk zijn voor de ontdekking van natuurwetten. Ook is nieuwsgierigheid nodig als drijvende kracht om andere planeten en sterren te willen verkennen.

Denkprocessen aliens waarschijnlijk sterk afwijkend van die van ons
Wij zijn geëvolueerd op een weidse vlakte. Onze manier van denken vertoont hier nog allerlei sporen van. Zo zijn we fabelachtig goed in het herkennen van foto’s. We onthouden het beste als we onze ogen naar links en naar rechts bewegen – precies wat nodig is voor trekkende nomaden die in een nieuwe omgeving aankomen. Octopussen hebben een groot deel van hun zenuwweefsel in hun tentakels zitten. Misschien kunnen octopussen een soort Gestalt vormen, waarbij de tentakels van verschillende octopussen met elkaar vervlochten raken. Dingen die voor ons vanzelfsprekend lijken, zijn dat voor aliens niet.

De structuur en onderlinge indeling van hersenen hangt sterk af van de manier waarop deze hersens zijn geëvolueerd. Het evolutionaire pad van buitenaards wezens is waarschijnlijk geheel anders dan dat van ons. Daardoor zullen er ook cognitieve verschillen zijn. Kortom: hoewel buitenaardse wezens net als wij graag zullen willen communiceren en nieuwsgierig zijn, hebben we waarschijnlijk een heel ander gevoel voor humor dan zij.