Universum

Spiraalstelsels zoals de Melkweg hebben een dichte kern, bestaande uit oude metaalarme sterren.

Raadselachtige blauwe sterren aangetroffen in hartje Melkweg

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 29 mei 2011

Eens, vele miljarden jaren geleden, werden in het hele melkwegstelsel overvloedig sterren gevormd. Toen blies het zwarte gat in het centrum de binnenste regionen van het Melkwegstelsel schoon: gaswolken werden met zeer hoge snelheden de Melkweg uitgeblazen. Toch zijn er nu door Hubble blauwe zware sterren, “blue stragglers“, ontdekt die zo snel opbranden dat ze maar een paar miljoen jaar meegaan. Een pittige puzzel. Wat zorgt voor deze opmerkelijke verjongingskuur?

Spiraalstelsels zoals de Melkweg hebben een dichte kern, bestaande uit oude metaalarme sterren.
Spiraalstelsels zoals de Melkweg hebben een dichte kern, bestaande uit oude metaalarme sterren.

Blauwe achterblijvers
Blue stragglers, of blauwe achterblijvers, zijn sterren die veel jonger lijken dan ze horen te zijn. Blue stragglers worden zo genoemd omdat ze een vreemde eend in de bijt zijn,. Volgens gevestigde stervormingstheorieën jagen zware sterren er in recordtijd hun waterstof en helium doorheen. Ze houden het maar enkele miljoenen jaren uit voor zo ontploffen als supernova. Ze kunnen dus onmogelijk de vele miljarden jaren tussen de tijd dat galactische stormen de melkweg schoonveegden en nu, overleefd hebben.  Ze zijn al een halve eeuw geleden in bolvormige sterrenhopen (volgens sommigen zijn dit dwergmelkwegstelsels met een centraal zwart gat) aangetroffen.

Ook blue stragglers in de kern van de Melkweg
Nu voor het eerst is een populatie van deze zeer zeldzame sterren aangetroffen in het hart van de Melkweg. Verschillende opnamen door de zeer gevoelige ruimtetelecoop Hubble toonden hun bestaan aan.  Astronomen hopen nu de nog steeds controversiële stervormingsprocessen in het centrum van de Melkweg te begrijpen.

De bekendste blue straggler is misschien wel de reuzenster S2, die met een paar procent van de lichtsnelheid om het zwarte gat in het centrum van de Melkweg heenraast. De grootte en samenstelling van de blue straggler populatie die in de kern van de Melkweg is ontdekt, zal astronomen in staat stellen om te begrijpen of de kern van de Melkweg alleen uit oude sterren bestaat of uit een mengsel van oude en jonge sterren. Ook biedt de ontdekking een nieuwe testmogelijkheid om theorieën die voorspellen hoe blue stragglers zich vormen, in de bankschroef te zetten.

De resultaten ondersteunen het idee dat de centrale wolk van de melkweg al miljarden jaren geleden is gestopt met het vormen van sterren. Dit gebied is nu het domein van sterren van middelbare leeftijd zoals de zon (die zeer arm in “metalen” zijn dus hooguit gasreuzen als planeten kunnen hebben) en koelere rode dwergen. De blauwe reuzensterren die hier ooit ook werden gevormd zijn al miljarden jaren geleden ontploft.

Blue stragglers zijn 'onmogelijke sterren'. Het resultaat van sterbotsingen?
Blue stragglers zijn 'onmogelijke sterren'. Het resultaat van sterbotsingen?

Toevallige ontdekking
Deze ontdekking is een mooie serendipitaire bijkomstigheid van een in 2006 uitgevoerde waarnemingsserie met de naam Sagittarius Window Eclipsing Extrasolar Planet Search (SWEEPS). Hubble bestudeerde 180.000 sterren in het dichtbevolkte centrale gebied van onze Melkweg, 26 000 lichtjaar ver, en kreeg zo informatie over hun variabiliteit. Oorspronkelijk had de zoektocht tot doel “hete Jupiters”, gasreuzen vlak bij de ster te vinden. Het SWEEPS team ontdekte echter ook 42 merkwaardige blauwe sterren onder de bulkpopulatie met een helderheid en temperatuur die alleen bij heel jonge sterren voorkomt. Er werd al langer vermoed dat er “blue stragglers” in de kern van de Melkweg voorkomen, maar nu is voor het eerst hun bestaan ook ondubbelzinnig aangetoond.

Hubble heeft zo’n scherp beeld dat ook Dopplerverschuivingen en parallaxmetingen door eigenbewegingen van sterren uitgevoerd kunnen worden. Sterren in het centrum van de Melkweg hebben een andere rotatiesnelheid dan sterren in de spiraalarmen. Door beelden twee jaar na elkaar te vergelijken kon ondubbelzinnig vast worden gesteld welke blauwe reuzen zich in de kern bewegen, dus welke blauwe reuzen blue stragglers waren.

De onderzoekers schatten dat van de 42 kandidaat-“blue stragglers” 18 tot 37 van hen waarschijnlijk echt tot deze groep behoren, met de rest bestaande uit voorgrondsobjecten en mogelijk een kleine populatie uiterst zeldzame jonge sterren uit het galactische centrum.

Sterbotsing of vampirisme?
Het is nog onduidelijk hoe “blue stragglers” zich vormen of dat er meer dan één mechanisme aan het werk is waardoor ze ontstaan. Volgens veel astronomen ontstaan blue stragglers uit een dubbelster. Als de waterstof van de zwaardere ster opgebrand is  en hij aan zijn heliumvoorraad begint, zet de ster uit. De kleinere ster slokt dit gas op en groeit snel in massa, waardoor ook deze ster sneller opbrandt. Hierdoor stijgt de temperatuur van de ster zeer snel en straalt de ster met een blauwer licht. Een zeer dicht op elkaar staande dubbelster kan ook door voortdurend verlies van energie in een spiraal des doods terecht komen, waardoor ook samensmelting optreedt. Volgens een andere theorie zijn blue stragglers het gevolg van sterbotsingen: als twee sterren van iets meer dan een zonsmassa met elkaar botsen, levert dit een A-klasse reus op die zijn brandstof er in sneltreinvaart (enkele honderden miljoenen jaren, maar een paar procent van de levensduur van de zon) doorheen jaagt. Precies wat we ook waarnemen. Ook het aantal blue stragglers is ongeveer wat astronomen verwachten als ze het aantal sterbotsingen in een dicht cluster berekenen.

Mogelijk heeft de aanwezigheid van blue stragglers iets te maken met een ander mysterie: donkere materie. Als de donkere materie uit extreem koud moleculair waterstofgas (dat niet waar is te nemen met radiotelescopen) of waterstofijs bestaat, zouden deze een permanente bron van gas kunnen vormen waaruit deze sterren zich vormen. Deze theorie is echter uiterst omstreden. Het stralingsbombardement dat de rest van de kern van de melkweg gasvrij maakte, zou ook afgerekend moeten hebben met dit waterstof.

Bron:
NASA, Hubble Site

Het centrum van de Melkweg, gefotografeerd door de IR-telescoop Spitzer.

Maken buitenaardsen een wormgat in het centrum van de Melkweg?

7 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door / 8 december 2021

De zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels draaien steeds sneller, blijkt uit waarnemingen. Dat gebeurt niet zomaar. Wat is hier aan de hand? Misschien is dit het eerste teken van een buitenaardse beschaving…

Centraal zwart gat
Elk sterrenstelsel, van groot elliptisch stelsel tot dwergstelsel, beschikt over een groot zwart gat in het centrum. Dit zwarte gat is in het geval van de Melkweg miljoenen zonsmassa’s groot. Om dit zwarte gat draaien grote hoeveelheden sterren. In het verre verleden deden zich grote explosies voor en was het zwarte gat veel actiever dan nu. Wij nemen dit waar als quasars, die op miljarden lichtjaren afstand van ons staan (dus weergeven hoe melkwegstelsels er miljarden jaren geleden uitzagen). Op een gegeven moment was de materie rond de quasar uitgeput en kwam de actieve kern tot rust: het stadium waarin de Melkweg zich nu bevindt. Het zwarte gat in het centrum van de Melkweg, de radiobron Sagittarius A* onderscheidt zich nu door de radiostraling die de directe omgeving uitzendt en uiteraard door de zwaartekrachtswerking op de omringende sterren en andere materie.

Het centrum van de Melkweg, gefotografeerd door de IR-telescoop Spitzer.
Het centrum van de Melkweg, gefotografeerd door de IR-telescoop Spitzer.

Zwarte gaten roteren steeds sneller
Dr. Martinez-Sansigre en hoogleraar Rawlings ontdekten dat de zwarte gaten in het centrum van melkwegstelsels over het algemeen steeds sneller zijn gaan draaien. Toen het heelal half zo oud was als nu, draaiden zwarte gaten nauwelijks. Nu draait een percentage van de zwaarste centrale zwarte gaten zeer snel.  Zij schrijven dit toe aan een of meerdere fusies van centrale zwarte gaten als twee melkwegstelsels in botsing komen (1).

Wormgaten, singulariteit en reizen door zwarte gaten
Vlak bij en binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat gebeuren er vreemde dingen met ruimtetijd. Ruimte en tijd wisselen van karakter: ruimte krijgt een tijdachtige aard en andersom. De eigenschappen van zwarte gaten worden nog interessanter als ze zeer snel rond gaan draaien (Kerr- of Kerr-Newman zwarte gaten). Er vormen zich dan twee gebeurtenishorizons: de buitenste en de binnenste (Cauchy) gebeurtenishorizon. In de binnenste gebeurtenishorizon krijgen ruimte en tijd weer hun normale rol. Volgens enkele natuurkundigen zou in deze omgeving zelfs leven mogelijk zijn.

Nog interessanter: de singulariteit in het midden is ringvormig, naakt en de Kerr-metriek heeft een aantal zeer opmerkelijke eigenschappen die wel eens erg interessant kunnen zijn voor ondernemende aliens. Zo is het volgens sommigen mogelijk om door de tijd te reizen of, nog interessanter, via een wormgat naar een ander heelal.

Ongeveer zeventig procent van alle spiraalstelsels vertoont deze merkwaardige balk.
Ongeveer zeventig procent van alle spiraalstelsels vertoont deze merkwaardige balk.

Roteren zwarte gaten met opzet?
Voor zover onze kosmologische kennis reikt, is dit heelal uiteindelijk ten dode opgeschreven. Een hoogontwikkelde buitenaardse soort zal er dus alles aan doen om te ontkomen aan de uiteindelijke ondergang van het heelal, als alle sterren uitgedoofd zijn en  de hoeveelheid vrije energie daalt tot vrijwel nul. Een nieuw, pas ontstaan heelal is dan uiteraard een aantrekkelijke bestemming.

Hoe sneller een Kerr-zwarte gat roteert, hoe meer energie er aan kan worden onttrokken en – heel belangrijk – hoe groter het doorreisbare gebied is. Een stellair zwart gat is te klein voor een standaard ruimteschip om te doorreizen.De getijde-effecten zijn te groot. Dat is bij een reusachtig zwart gat zoals in het centrum van de Melkweg anders. ET zal er dus (als de theorie klopt) dus alles aan doen om het grote zwarte gat zo snel mogelijk rond te doen tollen. Omdat de natuurwetten in verschillende sterrenstelsels identiek zijn, zullen intelligente wezens overal in het universum tot dezelfde slotsom komen. Zo vreemd zou het dan niet zijn, dat we in verschillende sterrenstelsels een steeds sneller rondtollend zwart gat waarnemen.

Wordt de materie in balkspiraalstelsels gebruikt om zwarte gaten te laten tollen?
Een aantal sterrenstelsels is een balkspiraalstelsel. Tot nu toe is het fysische mechanisme dat de balk in een spiraalstelsel doet ontstaan, nog niet naar alle tevredenheid opgehelderd (al zijn er goede werkhypotheses). Wel weten we dat de balk in oudere stelsels meer voorkomt, tot zeventig procent vergeleken met twintig procent vele miljarden jaren geleden (2). In feite is de vorming van een balk niet logisch. Hoe dichter bij het massacentrum, hoe sneller de rotatie. Dit effect zou weinig heel laten van een balk, want het binnenste deel roteert veel sneller dan het buitenste deel. Er moet dus een bepaald proces zijn (mogelijk de massaverdeling in het centrum) dat balken mogelijk maakt. Of een ander effect.

Bekend is dat spiraalstelsels met een balk een actieve kern hebben. Het is redelijk om te veronderstellen dat beide fenomenen iets met elkaar te maken hebben. Astronomen denken nu dat de balken op de een of andere manier het zwarte gat voeden en de stervorming in het centrum opjagen door de voortdurende toevoer van materie verder weg. Zouden deze processen door een buitenaardse beschaving worden opgewekt? Wordt de toestroom van materie naar het centrale zwarte gat door de buitenaardsen zo uitgekiend, dat het zwarte gat steeds sneller gaat tollen en zo een doorreisbaar wormgat produceert? Het valt niet uit te sluiten, al zijn natuurlijke verklaringen waarschijnlijker.

Eind 2021 ziet men als meest waarschijnlijke verklaring voor de balk in spiraalstelsels, dat de donkere materie in het centrum de rotatie van de sterren in de balk vertraagt.

Bronnen
1. Black holes spin faster and faster – Royal Astronomic Society
2. ‘Barred spiral galaxies are latecomers’ – Astronomy News

Erwin Schrödinger bedacht een nogal sadistisch gedachtenexperiment waarbij een kat zowel dood als levend is.

‘Veel-werelden kwantuminterpretatie betekent multiversum’

5 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 23 mei 2011

Misschien ben je in een alternatief universum schatrijk of werk je in een droombaan. De veel-wereldeninterpretatie van de kwantummechanica is op dit moment erg populair onder natuurkundigen. Volgens deze interpretatie betekent elke kwantummeting dat ons heelal zich in meerdere heelallen afsplitst. Susskind en Bousso, wereldberoemd onder snaartheorie-adepten, hebben nu aangetoond, dat als de veel-wereldeninterpretatie klopt, er heelallen naast het onze moeten bestaan. Als ze gelijk hebben, kunnen we hiermee mogelijk op een dag in contact treden en is dat in het vroege verleden van het heelal al gebeurd…

Schrödingers kat en de veel-werelden interpretatie

Erwin Schrödinger bedacht een nogal sadistisch gedachtenexperiment waarbij een kat zowel dood als levend is.
Erwin Schrödinger bedacht een nogal sadistisch gedachtenexperiment waarbij een kat zowel dood als levend is.

De veel-werelden interpretatie is bedacht om de beruchte kwantumparadoxen op te lossen. In een gedachtenexperiment van kwantumfysicus Erwin Schrödinger werd een kat opgesloten in een kist. In de kist bevindt zich ook een radioactief atoom en een geigerteller. Als het atoom uiteenvalt, een onvoorspelbaar kwantumproces, dan krijgt de geigerteller een signaal en komt er gifgas vrij, waardoor de kat sterft. Valt het atoom niet uit elkaar, dan blijft de kat leven. De stelling van Schrödinger is: zolang er geen meting wordt verricht (de kist wordt geopend), is de kat zowel dood als levend.

Een bizarre uitkomst. Vandaar dat onder meer de veel-werelden interpretatie is ontwikkeld. Volgens de veel-werelden interpretatie splitst de wereld in twee universums op het moment dat de meting plaatsvindt: één waarin de kat leeft en één waarin de kat dood is. Volgens de veel-werelden interpretatie zijn er dus oneindig veel parallelle werelden. Omdat de veel-werelden interpretatie het makkelijkste rekent en geen andere bizarre aannamen met zich meebrengt, is de interpretatie onder natuurkundigen erg populair.

Veel-wereldeninterpretatie betekent multiversum?
Fysici Leonard Susskind van Stanford University in Palo Alto en Raphael Bousso at the University of California, Berkeley hebben nu in een artikel aangetoond dat het multiversum en de veel-wereldeninterpretatie onder bepaalde voorwaarden formeel equivalent zijn. Is de veel-wereldeninterpretatie waar, dan moet er ook een multiversum bestaan. Sterker nog: de waarschijnlijkheidsfuncties van de kwantummechanica worden alleen echt ‘mechanisch’, dus betekenisvol, als het multiversum hierbij in aanmerking wordt genomen.

Lopen er in een parallel universum dubbelgangers van jou en mij rond? Ja, veronderstellen twee fysici.
Lopen er in een parallel universum dubbelgangers van jou en mij rond? Ja, veronderstellen twee fysici.

Causale diamant
Decoherentie – een andere interpretatie die nu erg populair is, die er op neerkomt dat de omgeving het meetresultaat oplegt (de omgeving bepaalt in deze interpretatie of het atoom uit elkaar valt en dus of de kat sterft) – achten ze subjectief. Hiervoor moet een (niet nader gespecificeerde)  “omgeving” wordt geïntroduceerd waar geen uitspraken over worden gedaan. In feite is, stellen ze, is decoherentie afwezig als de gehele toekomstige “gebeurteniskegel” (alle gebeurtenissen die causaal beïnvloed worden door een bepaalde kwantumgebeurtenis, zoals het verval van het radioactieve atoom) maar volledig wordt meegenomen in een berekening. Bousso noemt dit gebied de causale diamant. het tweetal stelt: stop alle denkbare causale diamanten bij elkaar in één verzameling en ziedaar: je multiversum.

Volledige kwantumineenstorting werkt alleen als het systeem oneindig groot is
De redenatie die Bousso en Susskind volgen is, dat alleen als de causale diamant oneindig groot is, uitkomsten van kwantummetingen exact bepaald zouden kunnen zijn. Anders is de informatieinhoud van de causale diamant niet oneindig groot, en kan de meetonzekerheid niet tot een oneindig klein punt instorten (Het is bij de heren klaarblijkelijk niet opgekomen dat wellicht bij een kwantummeting de instorting niet tot een punt, maat tot een zeer nauwkeurig betrouwbaarheidsgebied plaatsvindt; wat dit punt zou ontkrachten).

Ze hebben een andere oplossing bedacht: ‘hats’, hoeden. Dit zijn supersymmetrische delen van het multiversum met een kosmologische constante van nul (en een oneindig aantal deeltjes) die om de causale diamant heen liggen, ongeveer zoals kosmologen tot voor kort dachten dat ons heelal in elkaar zit. Ze introduceren een complementariteitsprincipe dat er voor zorgt dat het oneindige aantal deeltjes in de “hoed” toch de kwantumonzekerheid tot nul kan laten ineenstorten, via het zelfs voor een wiskunde-hater eenvoudig te begrijpen rekensommetje: 1/oneindig = 0.

Dit zou betekenen dat de sporen van andere universa, die in de kosmische achtergrondstraling waar zijn genomen, in feite versies van ons eigen universum zijn, die in een vroeg stadium zijn afgesplitst.

Bron
R. Bousso en L. Susskind, The Multiverse Interpretation of Quantum Mechanics, Arxiv.org

De 3D-printer in actie

Huis uit de printer

1 reactie / Ideeën en techniek, Universum / Door / 23 mei 2011

Als het aan Dr. Behrokh Khoshnevis van de University of Southern California ligt, zijn er straks geen bouwvakkers meer nodig. Je huis ontwerp je dan gewoon op de computer. NASA kijkt niet voor niets met grote interesse naar deze volkomen nieuwe constructiemethode.

Het bouwen van huizen heeft nogal wat middeleeuwse trekjes. Alleen de prijzen en het oerwoud aan ambtelijke bouwvoorschriftenop eenentwintigste-eeuws niveau. Vandaar dat Behrokh Khoshnevis een radicale oplossing bedacht.

3D-printers zijn al bij veel mensen bekend en dalen steeds meer in prijs. Het meest gebruikte type bouwt blokje voor blokje een driedimensionaal object op. Khoshnevis heeft een techniek ontwikkeld om nog een stapje verder te gaan: contour crafting. Als de 3D-printer opgeschaald wordt tot een structuur van tientallen meters groot, zijn de mogelijkheden eindeloos.

De 3D-printer in actie
De 3D-printer in actie

Zonder menselijk toezicht kunnen enorme gebouwen geconstrueerd worden. Alles wat nodig is is een voldoende sterk, plastisch bouwmateriaal (zeer snel hardend beton, bijvoorbeeld) en een grote 3D-printer die de bouwinstructies uit kan voeren. De techniek is in feite niet veel anders dan in een 3D-printer wordt toegepast, maar dan op veel grotere schaal. Het verschil is dat niet in pixels, maar door continue voegwerk wordt gewerkt. Het apparaat lijkt meer op een plotter dan op een printer.

Als met meerdere materialen wordt gewerkt, kan je er ook dingen als ramen en elektrische leidingen mee produceren. Je uploadt je ontwerp in een computer, deze stuurt de printer aan en na ongeveer een dag rolt het complete huis uit de printer.

Er zijn plaatsen waar bouwvakkers uiterst schaars zijn of hun verwachte levensduur akelig kort. Het bekendste voorbeeld is uiteraard de ruimte. NASA ziet veel in Khoshnevis’ speeltje om een complete maanbasis te printen. Regoliet (maanstof) kan namelijk makkelijk samen worden gesinterd door het te verhitten, in een keukenmagnetron bijvoorbeeld. De gehele maan is bedekt met een laag regoliet van ongeveer een centimeter dik. In diverse toekomstscenario’s wil men helium-3 uit de regoliet winnen. Het afvalproduct kan dan direct in maanbebouwing verwerkt worden.

Bron
1. Contour Crafting: ContourCrafting.com
2. Lunar habitat: NASA

Boomvarens (en vroeger: reuzenpaardestaarten) verschillen biologisch gezien sterk van zaadplanten als dennen, palmen en loofbomen. Toch vormen ook zij bossen van hoge verticale planten. Dat is op een exoplaneet niet anders, denken exobiologen daarom.

Bomen waarnemen op exoplaneet

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 20 mei 2011

Een boom waarnemen op lichtjaren afstand is onmogelijk, zegt het gezonde verstand. Toch hebben onderzoekers nu een methode bedacht. Kunnen we Pandora-achtige oerwoudplaneten nu vanaf aarde waarnemen?

Boomvarens (en vroeger: reuzenpaardestaarten) verschillen biologisch gezien sterk van zaadplanten als dennen, palmen en loofbomen. Toch vormen ook zij bossen van hoge verticale planten. Dat is op een exoplaneet niet anders, denken exobiologen daarom.
Boomvarens (en vroeger: reuzenpaardestaarten) verschillen biologisch gezien sterk van zaadplanten als dennen, palmen en loofbomen. Toch vormen ook zij bossen van hoge verticale planten. Dat is op een exoplaneet niet anders, denken exobiologen daarom.

Op aarde komen bossen voor, die uit planten uit heel verschillende plantenfamilies bestaan. In Noord-Australië komen bijvoorbeeld boomvarens voor. Bekend zijn loofwouden en naaldwouden. In de tropen komen palmbossen voor. Je zou zelfs de bizarre saguarocactussen van Arizona als een vorm van – zeer dunbegroeid – bos kunnen zien.

Al deze bossen bestaan uit verticale planten. De reden daarvoor is eenvoudig. Bomen overleven vooral als ze hoger zijn dan de concurrent, want dan vangen ze meer licht op. De dominerende planten in bossen zijn dus meestal (niet altijd, denk bijvoorbeeld aan de banyan en mangrovebossen) hoge, verticale structuren. Deze ecologische concurrentie treedt in elk ecosysteem op waarin meercellige planten bestaan. Dat zal dus op buitenaardse planeten niet anders zijn.

De kleuren en reflectie van bossen verandert al naar gelang de hoe waaronder de zonnestraling op het bos valt. Midden op de dag zijn er bijvoorbeeld nauwelijks schaduwen. Het bos weerkaatst dan het meeste licht. Interessant is dat we de effecten daarvan waar kunnen nemen vanaf zeer grote afstand. Als de ster vrijwel tussen onszelf en een exoplaneet in staat, zien we een korte, scherpe toename in helderheid van de planeet als het licht van het exo-bos precies onze richting op weerkaatst. Dit effect is veel minder groot bij natuurlijke hoogteverschillen.

Andere onderzoekers hebben voorgesteld te letten op spectraallijnen van zuurstof of biomoleculen. Het probleem is dat het zo niet mogelijk is onderscheid te maken tussen een planeet, bedekt met een slijmlaag van eencelligen (het uiterlijk van de aarde gedurende drie miljard jaar, toen er alleen nog bacteriën voorkwamen) en een buitenaards bos met hoogontwikkeld leven. Met de nieuwe methode kan dat wel. Wel moet dan eerst de aanwezigheid van leven zijn aangetoond (met een van de andere genoemde methoden), zodat dat specifieke spectrum als uitgangspunt kan worden gebruikt.

Bron:
Physorg

Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.

‘Universele tijd toch mogelijk’

2 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door / 19 mei 2011

Het is wel degelijk mogelijk om onze absolute snelheid ten opzichte van de rest van het heelal vast te stellen, namelijk door het meten van de achtergrondstraling. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie bestaat er geen absolute ruimte en tijd, slechts ruimtetijd, wiskundig beschreven als een vierdimensionale Minkowskiruimte.

Waar komt achtergrondstraling vandaan?
De materie in ons heelal maakt maar een minieme fractie uit van de totale energie-inhoud. De meeste materie is omgezet in straling vlak na de Big Bang, waarbij materie en antimaterie elkaar annihileerden. Een klein overblijfsel aan materie is uiteindelijk de materie geworden waaruit wij en alles om ons heen bestaan. De straling is echter niet verdwenen, alleen sterk uitgerekt door de uitzetting van het heelal. Waar de straling eerst extreem heet was, is de temperatuur nu gedaald tot drie graden boven het absolute nulpunt. Deze straling kan waargenomen worden met radiotelescopen.

Dopplereffect
Waarschijnlijk heb je wel eens gemerkt dat de toonhoogte van een sirene op een ambulance (of het lawaai van een voorbijrazende auto) daalt als de auto zich van je verwijdert. De oorzaak is het Dopplereffect. Als je naar een geluidsbron toebeweegt, kom je meer golftoppen per seconde tegen. Daardoor lijken geluiden hoger. Omgekeerd kom je minder golftoppen per seconde tegen als je je van de geluidsbron verwijdert. Daardoor klinkt het geluid lager.
Datzelfde effect treedt ook met elektromagnetische straling, zoals licht en radiogolven, op. Beweegt een ster naar ons toe, dan ziet hij er blauwer uit dan normaal: de blauwverschuiving. Beweegt een ster van ons af, dan lijkt hij roder dan normaal: de roodverschuiving. Op die manier kan je door licht te meten, exact berekenen hoe snel een bepaalde ster of sterrenstelsel zich van ons af beweegt.

Golven worden door het Dopplereffect uitgerekt of juist samengeperst.
Golven worden door het Dopplereffect uitgerekt of juist samengeperst.

Achtergrondstraling biedt universele meetlat voor snelheid en tijd

Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.
Het yin-yangpatroon van de kosmische achtergrondstraling toont aan dat we ten opzichte van het heelal bewegen.

De kosmische achtergrondstraling komt om die reden van alle kanten tegelijk. Astronomen hebben ontdekt dat de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling iets hoger is in de richting van de galactische coördinaten l = 276±3°, b = 30±3°. Onze lokale groep melkwegstelsels beweegt in deze richting met een snelheid van ongeveer 630 km per seconde.

Het universum heeft dus wel degelijk een universeel coördinatenstelsel en door metingen aan de kosmische achtergrondstraling is exact vast te stellen in welke richting je je ten opzichte van dit coördinatenstelsel beweegt. Ook is het mogelijk de dilatatie vast te stellen door de gemeten gemiddelde temperatuurwaarde van de kosmische achtergrondstraling te vergelijken met de standaardwaarde vanaf aarde. Als je je diep in de extreem diepe zwaartekrachtsput rond een zwart gat bevindt, zal de kosmische achtergrondstraling bijvoorbeeld veel heter lijken dan in de vrije ruimte.

Zwerfplaneten zijn vrijwel alleen op te sporen door hun zwaartekrachtslens-effect.

‘Zwerfplaneten komen vaker voor dan aan sterren gebonden planeten’

1 reactie / Universum, Wetenschap / Door / 23 mei 2011

“Eenzame” planeten, uit hun zonnestelsel geslingerd door zwaartekrachtseffecten, kunnen 50 procent vaker voorkomen dan planeten bij sterren.

Microlensing spoort zwerfplaneten op

Zwerfplaneten zijn vrijwel alleen op te sporen door hun zwaartekrachtslens-effect.
Zwerfplaneten zijn vrijwel alleen op te sporen door hun zwaartekrachtslens-effect.

De meeste planeet-zoektechnieken, denk aan sterverduistering en sterschommelingen meten – vinden alleen werelden dicht bij sterren. Maar met microlenzen – waarbij een planeet langs een achtergrondster beweegt en de zwaartekrachtsput tijdelijk als vergrootglas werkt – vind je ook planeten die verder weg liggen.

Takahiro Sumi van de Osaka Universiteit in Japan en collega’s hebben gedurende ongeveer twee jaar 50 miljoen sterren in de Melkweg ten minste een keer per uur waargenomen. Ze vonden 10 objecten van ongeveer de massa van Jupiter, die niet bij een ster leken te horen.

Hun techniek kan het bestaan van onzichtbare gastheersterren niet uitsluiten (de bewegingen zijn namelijk niet periodiek), maar de metingen suggereren dat de planeten minstens zo ver staan van hun ster als Saturnus van de zon (m.a.w. tien keer de afstand van de aarde tot de zon). Zij betogen dat de schaarste van de planeten afgebeeld bij een brede scheidingen van hun gastheersterren suggereert dat ongeveer driekwart van de 10 nieuwe objecten niet gebonden zijn aan de sterren.

Nauwkeurige uitlijning

Tien objecten klinkt niet als veel, maar microlenzen gebeurtenissen zijn zeer zeldzaam, omdat de precieze uitlijning van een achtergrond ster, de planeet “lens” en de Aarde vereist is en het heelal is groot. Extreem groot.  Op grond hiervan berekenden de onderzoekers, dat de nieuwe waarnemingen impliceren dat zwerfplaneten vijftig procent vaker voorkomen dan planeten rond gastheersterren hebben en bijna twee keer zo vaak als sterren in de Melkweg.

Niet alle astronomen zijn het eens met dit hoge aantal, maar dat er een aanzienlijk aantal zwerfplaneten bestaat is wel zeker. Een fascinerende mogelijkheid is dat zwerfplaneten leven kunnen herbergen onder een dikke isolerende ijslaag, waarbij radioactief verval de energie levert. Bij een planeet ter grootte van Jupiter zou de effectieve temperatuur nauwelijks dalen – Jupiter zendt nu al bijna 2,5 maal zoveel warmte uit als de planeet ontvangt van de zon. Ook een superaarde zou in staat zijn om leven te onderhouden door radioactieve processen. Eerder is gesuggereerd dat annihilatie van donkere materie in zwerfplaneten in het centrum van de Melkweg, deze warm zou kunnen laten houden, maar met het uitblijven van empirisch bewijs lijkt deze hypothese minder populair.

Bron:
Nature

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Waterstofijs verklaring raadselachtige IR-gloed en donkere materie?

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 18 mei 2011

Waterstofijs is vrijwel onzichtbaar met radiotelescopen. Een ideale kandidaat voor donkere materie dus, zou je zeggen. Tot voor kort werd door astronomen aangenomen dat waterstofijs niet de donkere materie kan verklaren, omdat waterstofijs zelfs bij de zeer lage temperaturen in de interstellaire ruimte sublimeert (van vaste stof in gasvorm overgaat). Nu zijn ze daar niet meer zo zeker van: bepaalde onzuiverheden kunnen de atomen voldoende stabiel bij elkaar houden. Hebben we eindelijk de dader te pakken?

Vast waterstofijs is doorzichtig

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.
H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Vaste waterstof is naar aardse begrippen een opmerkelijke stof. Het weegt bijvoorbeeld per liter slechts vijftig gram. Bij zeer hoge druk krijgt het metaaleigenschappen, de reden voor het extreem sterke magneetveld van de gasreus Jupiter. Vaste waterstof is in principe een kandidaat om donkere materie te verklaren. Astronomen weten al lang dat een groot deel van het heelal is gevuld met diffuse waterstof. In feite, kunnen ze geïoniseerd waterstofgas zien door de elektromagnetische golven dat het afgeeft.

In de jaren zestig suggereerden sommige astronomen dat het interstellaire medium ook zou kunnen zijn gevuld met vast waterstofijs. Diverse anderen wezen er later op dat dit onwaarschijnlijk was, omdat het ijs zou moeten sublimeren, zelfs in de extreme kou van de interstellaire ruimte. Kort geleden hebben sterrenkundigen toch dit idee heroverwogen en steeds meer wetenschappers beginnen te geloven in waterstofijs. Dat komt omdat chemici hebben ontdekt dat waterstofijs stabieler is als dit verontreinigingen bevat. De extra ionen in het rooster helpen om H2 ijs te stabiliseren.

Dat roept een interessante vraag op. Waterstofijs is min of meer doorzichtig op optische frequenties. Dus hoe kunnen we het detecteren in de ruimte?

‘H6+-ionen verklaren mysterieuze straling’
Ching Lin Yeh aan de Australian National University in Canberra en een paar collega’s doen een interessante suggestie. Ze zeggen dat wanneer fotonen waterstofijs treffen, ze geïoniseerd waterstof creëren en met name clusters van H6+ in het leven roepen. Dit complexe ioncluster van zes protonen en vijf elektronen wordt niet in waterstofgas gevormd, zodat de aanwezigheid ervan is een goede marker is voor waterstofijs. Bestaat H6+, dan bestaat er waterstofijs.

Het probleem is dat niemand weet hoe H6+ zich gedraagt – dit onderzoek is nog niet uitgevoerd in het lab. Dus Ching Lin Yeh en de zijnen hebben, uitgaande van de kwantummechanische beschrijving van het hypothetische H6+-ion, de vibrationele overgangen van het ion berekend. Hun conclusie is dat H6+ (en haar gedeutereerde neefje (HD)3+) verschillende infraroodemissies moet produceren.

Vervolgens vergelijken ze hun voorspellingen met daadwerkelijk door astronomen waargenomen frequenties. Het blijkt dat de interstellaire ruimte flauw gloeit: een complex mengsel van frequenties. Deze emissies zijn de zogenaamde diffuse interstellaire banden of DIBs en hun herkomst is al lang een raadsel voor astronomen. Ching Lin Yeh en zijn medeauteurs stellen dat de voorspelde emissies van H6+ nauw overeenkomen met die astronomen kunnen zien. “Wij concluderen dat het goed mogelijk is dat vaste H2 overvloedig aanwezig is in het interstellaire medium,” zeggen ze.

Eenvoudige verklaring: geen exotische chemische stoffen nodig
Dit is uiterst interessant. Waterstof moet een belangrijk onderdeel zijn van het interstellaire medium, maar astronomen weten dat gasvormige waterstof niet de waargenomen straling kan produceren. De in het nauw gedreven astronomen probeerden de straling te verklaren met behulp van allerlei soorten meer complexe moleculen, zelfs grote organische moleculen, zoals aminozuren en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, de bouwstenen van het leven.

Er zijn duidelijke aanwijzingen dat deze moleculen aanwezig zijn in sommige dichte wolken (geproduceerd door supernova’s), maar het gaat uiterst ver, te beweren dat ze zijn verspreid over het hele interstellaire ruimte. Dat zou namelijk betekenen dat er tijdens of vlak na de Big Bang enorme hoeveelheden van deze stoffen zijn geproduceerd – wat in strijd is met zo ongeveer alle serieuze kosmologische modellen. Theoretisch gesproken is H6+ dus een godsend. Iemand moet H6+ van massief waterstof maken en nauwkeurig het stralingsgedrag in deep space meten. Lukt dat, dan zou dat een aantal theoretici van een uiterst vervelend probleem afhelpen. Geen gemakkelijke experiment, dat is zeker, maar beslist mogelijk met de huidige technologie.

Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire rumtereizen.
Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire ruimtereizen.

Gevolgen van grote hoeveelheden vast waterstofijs in de ruimte
Reizen met snelheden in de buurt van het licht worden aan de ene kant erg lastig, omdat brokjes botsende materie bij relativistische snelheden even explosief is als antimaterie. Zelfs een klein brokje waterstofijs heeft dan al verwoestende effecten.

Wellicht kan een ramjetdesign, zoals van Bussard, hierbij helpen. Het magnetische schepveld kan dan de geladen ijsdeeltjes invangen en laten fuseren, waardoor toch het sterrenschip wordt beschermd en tegelijkertijd brandstof uit het interstellaire medium wordt geschept.

Aan de andere kant zou dit materiaal als hulpbron kunnen worden ingezet met (naar moderne begrippen) haalbare technologie. Je kan je voorstellen dat enorme hoeveelheden vast waterstofijs worden samengebracht als brandstof voor  kernfusiecentrales of om nieuwe sterren mee te scheppen.

Bron:
Ching Lin Yeh et al., Interstellar Solid Hydrogen, arxiv.org

Zwarte gaten zijn waarschijnlijk de grootste energiebron van het universum.

Superbeschaving leeft van zwarte gaten

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

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

Kardashev-schalen

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

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

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

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

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

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

Zit ons melkwegstelsel er zo uit als dit stelsel? Ja, zegt een nieuwe ontdekking.

‘Melkweg heeft vorm van kromme kroonkurk’

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 16 mei 2011

De melkweg heeft geen mooie nette spiraalvorm, maar is kromgetrokken als een kroonkurk. Wat is de oorzaak van deze vreemde vorm?

In 1852 kwam Stephen Alexander, een astronoom aan het college van New Jersey met de radicale suggestie dat de Melkweg zelf een spiraalstelsel is.

Maar terwijl de hedendaagse astronomen het eens zijn over deze algemene vorm, zij het niet eens over de precieze structuur van de spiraal en met name over het aantal armen.

Zit ons melkwegstelsel er zo uit als dit stelsel? Ja, zegt een nieuwe ontdekking.
Zit ons melkwegstelsel er zo uit als dit stelsel? Ja, zegt een nieuwe ontdekking.

Astronomen hebben ten minste zes spiraalarmen benoemd. In de jaren 1990 dook er bewijs op dat de Melkweg een centrale balk heeft. De onzekerheid is gemakkelijk te begrijpen. Een groot deel van ons zicht op de melkweg wordt weggenomen door sterren en stofwolken die tussen ons en de verder gelegen delen van de Melkweg in liggen. Met name de dichte centrale massa van de sterren in het centrum neemt het zicht weg op het verste deel van de Melkweg (in Star Trek termen: het Delta Quadrant).

De groeiende consensus is nu dat de Melkweg een centrale balk met twee armen heeft, respectievelijk de Perseus Arm, waarvan het dichtste punt op enkele duizenden lichtjaar van de zon ligt, van de Zon, en de Scutum-Centaurus Arm. (De andere armen worden nu als kleine, voornamelijk uit gas bestaande structuren gezien.)

Thomas Dame en Patrick Thaddeus aan het Harvard-Smithsonian Center voor Astrofysica in Cambridge, Massachusetts leveren verder bewijs van deze 2-arm structuur, maar met een opmerkelijke buiging die verklaart waarom astronomen eerder niet in staat geweest om de structuur duidelijk te zien.

Astronomen meten van oudsher de structuur door het meten van de beweging van grote wolken waterstof en koolmonoxide binnen de melkweg (de snelheid van verre sterren is te moeilijk vast te stellen).

Het nieuwe bewijsmateriaal dat Dame en Thaddeus hebben verkregen, toont het bestaan ​​van een nieuwe arm aan de andere kant van de Melkweg, verder van het centrum gelegen dan wij. De nieuwe arm is 18 kiloparsec (plm. 76 000 lichtjaar) lang en zo strekt zich over zo’n 50 graden langs de hemel uit (honderd zons- of maansdoorsneden). Dame en Thaddeus concluderen dat deze arm een uitbreiding van de Scutum-Centaurus Arm is, waarvan de rest schuilgaat achter het galactische midden.

Dat klinkt logisch. De Perseus-arm, die we duidelijker kunnen zien, draait voor vijfzesde deel rond het galactische centrum. Als Dame en Thaddeus gelijk hebben, moet de Scutum-Centaurus Arm precies symmetrisch met “onze” Perseus-arm. Dat maakt de Melkweg vergelijkbaar met het Grote Balkspiraalstelsel, een oud, dubbel spiraalstelsel ongeveer 56 miljoen lichtjaar van hier.

De reden dat het zo lang duurde voordat deze arm werd ontdekt is volgens Dame en Thaddeus, dat deze arm gebogen is. Hierdoor ligt de arm niet in het galactische vlak, maar iets erboven. Wat betekent dat de Melkweg kromgetrokken is, net als de kroonkurk van een geopende fles bier. Wat zou deze merkwaardige vervorming veroorzaken?

Bronnen
Dame and Thaddeus, A Molecular Spiral Arm in the Far Outer Galaxy, ArXiv (2011)
‘Milky Way is warped, like a beer bottle cap’