7 februari 2012

Nobelprijswinnaar Perlmutter over supernovae, donkere energie en het versneld uitdijende heelal

Op 4 oktober vorig jaar wonnen de Amerikanen Saul Perlmutter en Adam Riess en de Australiër Brian Schmidt de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun onderzoek aan supernovae en de daaropvolgende vondst van de donkere energie. Van Perlmutter – de leider van het Supernova Cosmology Project - kwam ik de volgende bijna een uur durende video tegen, waarin hij spreekt over supernovae, donkere energie en het versneld uitdijende heelal. De eerste zesenhalve minuut van de video kan je overslaan, want dat zijn wat inleidende woorden van de Amerikaanse staatssecretaris voor energiezaken, Steven Chu, die ook ooit dezelfde prijs won voor ‘de ontwikkeling van methoden om atomen af te koelen en te vangen met laserlicht’. Afijn, geniet van deze boeiende video.

De tip voor de video kwam binnen via:

[Video] "Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe": lecture by S. Perlmutter, Physics Nobel Prize 2011 > http://t.co/n0W1f2Tg
@astroparticle
astroparticle

SDSS III levert de grootste 3D-kaart van het heelal op

3D-kaart van het heelal, gemaakt met SDSS III

Sinds 2000 is met de Sloan Digital Sky Surveys (SDSS I, II, III) een kwart van de hemel – da’s 14.555 vierkante graad om precies te zijn - onderzocht, waarbij de gegevens van miljoenen sterrenbeelden letterlijk in kaart zijn gebracht en dat biljoenen pixels aan data heeft opgeleverd, vergaard met de 2,5 meter telescoop van het Apache Point Observatorium in Sunspot, New Mexico in de VS. Sterrenkundigen van Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hebben die gegevens gebruikt om de grootste 3D-kaart van het heelal te maken, waarin duidelijk wordt op welke manier materie samenklompt tot sterrenstelsels. De sterrenkundigen onder leiding van Shirley Ho concentreerden zich daarbij op de zogenaamde Luminous Galaxies, extreem heldere sterrenstelsels, waar de SDSS III er al anderhalf miljoen van telt, gelegen op afstanden tussen 7 en 11 miljard lichtjaar afstand. Van die anderhalf miljoen gebruikte het Berkeleyteam er 900.000, op de afbeelding hiernaast al die groene stipjes, tel ze maar na. :-) Ze ogen op foto’s rood, vanwege hun relatief oude sterpopulatie. Jonge, massieve en blauwgekleurde sterren hebben ze niet meer, die zijn geëxplodeerd tot supernovae. Uit de gegevens heeft men al af kunnen leiden dat donkere energie 73% van de dichtheid van het heelal vormt, met een onzekerheid van 2%. Ook blijkt dat 50.000 jaar na de oerknal straling (fotonen en neutrino’s) en materie (voornamelijk waterstof) precies in evenwicht met elkaar waren qua dichtheid. De periode daarvoor overheerste de straling in het heelal, daarna brak geleidelijk de hegemonie van de materie door. Die hegemonie werd definitief 300.000 jaar na de oerknal, toen door het dalen van de temperatuur in het heelal de straling en materie letterlijk los werden gekoppeld van elkaar, het moment van “het oppervlak van de laatste verstrooiing“. In de materie komen zogenaamde baryon acoustische oscillaties (BAO’s) voor, overblijfselen van geluidsgolven die in de eerste momenten na de oerknal voorkwamen en die blijken iedere 450 miljoen jaar een piek te hebben, resulterend in een piek in de clustering van materie in sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en superclusters van clusters van sterrenstelsels. Middels de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), dat deel uitmaakt van SDSS III, probeert men die BAO’s verder in kaart te brengen en begin dit jaar hoopt men daar de resultaten van te kunnen laten zien. De details over SDSS III en de daaruit geproduceerde 3D-kaart van het heelal kan je lezen in dit wetenschappelijke artikel. :bron: Bron: Science Daily.

Hubble ontdekt op recordafstand Supernova Primo

De door Hubble ontdekte supernova Primo

Met de Hubble ruimtetelescoop heeft men op een afstand van maar liefst 9 miljard lichtjaar een supernova ontdekt. De supernova werd voor het eerst opgemerkt op 10 oktober 2010 en hij verscheen in een gebied dat eerder door Hubble in kaart werd gebracht in het kader van de Hubble Ultra Deep Field, een piepklein stukje hemel (Ø 2,4 boogminuten), gefotografeerd in het sterrenbeeld Oven (Fornax). De supernova, die als troetelnaam Primo kreeg, werd ontdekt in het kader van het CANDELS+CLASH Supernova Project1, en de afstand kon worden bevestigd door spectroscopische waarnemingen gedaan met Hubble’s Wide Field Camera 3 (WFC3). De verschuiving van de lijnen in het spectrum leverde een afstand van maar liefst 9 miljard lichtjaar op, een record voor een ‘spectroscopisch bevestigde’ supernova. De recordhouder blijkt een type Ia supernova te zijn, eentje die ontstaat als een witte dwergster een kritische massa (1,44 zonmassa, de Chandrasekharlimiet) overschrijdt doordat een nabije compagnon massa afstaat aan de dwergster. Dit type supernovae zijn op zichzelf goede afstandsindicatoren, vanwege hun vaste absolute helderheid tijdens hun maximum. Er zijn ook type Ia supernova verder weg dan supernova Primo ontdekt, maar die konden wegens hun afstand nooit spectroscopisch bevestigd worden. Met onderzoek aan dergelijke zeer ver weg gelegen supernovae hopen sterrenkundigen twee dingen te leren: wat is de frequentie waarmee witte dwergen in het vroege heelal explodeerden tot supernova: is die frequentie gelijk aan de hedendaagse frequentie of is er verschil? En ten tweede: hoe sterk was toen de donkere energie, de mysterieuze kracht die ruim driekwart van het gehele heelal vult en die zorgt voor een versnelde expansie van het heelal. Het nieuws over de ontdekking van supernova Priomo werd vandaag – hoe kan het ook anders – bekend gemaakt op de 219e bijeenkomst van de American Astronomical Society meeting in Austin, Texas. :bron: Bron: NASA.

Noot:
  1. CANDELS is de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en CLASH is de Cluster Lensing and Supernova Survey, ja ja leuke afkortingen van die sterrenkundigen. []

Minute Physics: over de richting van de tijd en donkere energie


Er bestaat een leuke serie van korte, leerzame handgetekende filmpjes over natuurkundige onderwerpen: Minute Physics. Eén van de filmpjes is de volgende, waarin Sean Carroll (CalTech) ons verteld over de richting waarin de tijd beweegt, een onderwerp dat samenhangt met het begrip entropie.

Onlangs werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde verleent aan drie sterrenkundigen, die in 1998 aan de hand van supernovae ontdekten dat het heelal versnelt uitdijt, hetgeen veroorzaakt wordt door de mysterieuze donkere energie. Over die donkere energie gaat de volgende video uit Minute Physics, wederom verteld door Sean Carroll.

:bron: Bron: Cosmic Variance.

Speelde donkere energie toch een rol in het vroege heelal?

Het CMB power spectrum

De ontdekking in 1998 dat het heelal versnelt uitdijt en dat er een mysterieuze kracht aan het werk is die de ruimte zelf doet uitdijen is een Nobelprijs waard gebleken. Die mysterieuze kracht wordt de donkere energie genoemd en in het meest gangbare ΛCDM model bestaat 73% van de massa-energie van het heelal uit de donkere energie. De meeste natuurkundigen en sterrenkundigen gaan er van uit dat de donkere energie constant is, precies zoals Einstein met z’n beroemde Kosmologische Constante Λ had voorspeld – met een vaste hoeveelheid afstotende donkere energie per vierkante centimeter ruimte. Hoe meer ruimte, hoe sterker de donkere energie. In het vroege heelal, kort na de oerknal, zou de invloed van de donkere energie minimaal zijn. Toch is een klein clubje onderzoekers van mening dat donkere energie toen wel degelijk een rol speelde en hun ideeën worden de early dark energy (EDE) modellen genoemd. Christian Reichardt, Roland de Putter, Oliver Zahn en Zhen Hou (University of California, Berkeley) hebben onlangs waarnemingen van de WMAP-satelliet en de South Pole Telescope (SPT) aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling (in het Engels afgekort: CMB) geanalyseerd en daaruit hebben ze een limiet weten te stellen aan de grootte van de donkere energie in het vroege heelal. Met WMAP en SPT heeft men de temperatuursvariatie in de CMB gemeten, een variatie die verband houdt met de grootte van de gebieden met afwijkende temperaturen aan de hemel. Dit verband komt tot uiting in het zogenaamde CMB power spectrum, een grafiek waarin de omvang van de temperatuursvariatie een functie is van de multipole \ell, waarbij een grote \ellcorrespondeert met een kleine schaal aan de hemel. \ell=100 komt overeen met ongeveer 1° aan de hemel. De WMAP kon heel goed de variaties met grote afmetingen aan de hemel bekijken, dus met kleine \ell, terwijl de SPT vanaf de koude zuidpool met een scherpe resolutie de variaties met kleine afmetingen ziet. De gecombineerde waarnemingen van WMAP en SPT zie je in het CMB power spectrum in de grafiek. In die grafiek zijn ook zes gekleurde lijnen weergegeven van de energiedichtheid van de donkere energie, variërend van Ωe = 0 (zwart) tot 0,05 (rood). Op basis van de WMAP + SPT waarnemingen komen de onderzoekers tot de conclusie dat met een zekerheid van 95% Ω<0,018, d.w.z. dat áls donkere energie in het vroege heelal voorkwam z’n dichtheid niet meer was dan 1,8% van de totale dichtheid van het heelal. :bron: Bron: Astrobites.

Nederland gaat data beheren van Euclid missie

Euclid, de Europese missie die donkere energie gaat bestuderen

Nog even doorgaan op waar ik net over blogde, namelijk de Euclid missie, die samen met de Solar Orbiter is goedgekeurd als wetenschappelijke missie en die bedoeld is om in 2019 te worden gelanceerd – op jacht naar de mysterieuze donkere energie. Nederland gaat namelijk een belangrijke rol spelen bij de bouw van het grond-segment van deze ruimtemissie. Bij de Europese missie zijn meer dan 110 instituten en ruim 800 wetenschappers betrokken. Nederland speelt een hoofdrol bij het opzetten van het Euclid Mission Archive (EMA) waarin alle wetenschappers zullen (samen)werken. Het is een ‘smart archive’: een kennisbank en dataverwerkingssysteem in één. Centrale vestigingen zullen komen in Groningen en bij ESA-Madrid. Bij het EMA komen alle gegevens binnen, niet alleen die van de Euclid-satelliet zelf, maar ook van de grote surveys vanaf de grond die zich dit decennium richten op donkere materie en donkere energie, waaronder het door Nederland geleide KiDS survey, de Dark Energy Survey en Pan-STARRS. Alle van de ingestroomde informatie afgeleide resultaten blijven binnen het systeem, zodat het een optelsom van steeds hoogwaardiger informatie wordt. De bouw van zo’n slim archief is een enorme uitdaging, zegt Edwin Valentijn (Rijksuniversiteit Groningen/Expertisecentrum Target) . “Het betreft een gigantische hoeveelheid complexe data, niet alleen van Euclid zelf, maar ook van de andere kosmologie-surveys die als een soort opmaat voor Euclid kunnen worden gezien.” Euclid is een optische/nabij infrarood telescoop, en gaat de vorm en verdeling van zo’n 2 miljard melkwegstelsels in kaart brengen om zo meer te weten te komen over de onbekende donkere energie en donkere materie waaruit het heelal voor zo’n 70% resp. 25% lijkt te bestaan. Donkere energie wordt verantwoordelijk gehouden voor de versnelde uitdijing van het heelal. Euclid zal door de vorm en verdeling van deze stelsels te meten, kunnen afleiden wat donkere energie is en of de relativiteitstheorie ook op schalen van miljarden lichtjaren blijft gelden. De satelliet wordt uitgerust met een optische camera (VIS) en een nabij-infraroodcamera en spectrometer (NISP). Euclid gaat met ongekende precisie grootschalig waarnemen. “Dat maakt de telescoop een soort all-sky Hubble”, zegt Huub Rottgering (Sterrewacht Leiden). Het bijeenbrengen van de resultaten van Euclid en de voorlopers vanaf de grond biedt ongekende mogelijkheden voor nieuw sterrenkundig onderzoek. “De ‘legacy value’ van de Euclid-missie is enorm: van exoplaneten tot aan het vroegste heelal”, voegt Gijs Verdoes Kleijn (Rijksuniversiteit Groningen/ Target) daaraan toe. :bron: Bron: Nova.

Nobelprijs Natuurkunde gaat naar onderzoekers supernovae

Een type Ia supernovae. Het gaat om SN 1994D (linksonder) in NGC 4526.

De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar de Amerikanen Saul Perlmutter en Adam Riess en de Australiër Brian Schmidt. Zij krijgen de onderscheiding voor hun onderzoek aan exploderende witte dwergen, die als type Ia supernovae in andere sterrenstelsels te zien zijn. Dat heeft de Zweedse Academie voor Wetenschappen vandaag bekendgemaakt. Riess en Schmidt werkten in het High-z Supernova Search Team en Perlmutter in het Supernova Cosmology Project en deze teams ontdekten in 1998 aan de hand van de waarnemingen aan supernovae dat de expansie van het heelal steeds sneller gaat. De twee teams waren gestart met het idee om te kijken of het mogelijk zou zijn om te zien of het heelal constant uitdijt of dat er een vertraging zichtbaar is, als gevolg van de zwaartekracht. Door de type Ia supernovae als ‘standaard-kaars‘ te gebruiken kon men de afstand van de sterrenstelsels waarin ze explodeerden bepalen. De uitkomst was heel verrassend de waargenomen versnelling, zoals af te lezen valt uit de volgende grafiek:

Dat bracht de sterrenkundigen vervolgens op de zogenaamde donkere energie, een geheimzinnige karaktereigenschap van de ruimte en tijd zelf, die een afstotende werking heeft, tegengesteld aan de aantrekkende zwaartekracht. Bijna drie kwart van de gehele massa-energie van het heelal zou gevormd worden door de donkere energie, bijna een kwart wordt door donkere materie gevormd en de rest bestaat uit ‘gewone’ materie – lees: sterren, planeten, gasnevels, etc… Soms komen type Ia supernova ook voor in sterrenstelsels die dichtbij liggen, zoals in augustus nog het exemplaar dat in M101 in het sterrenbeeld Grote Beer kaboem zei. De drie winnaars ”hebben een heelal blootgelegd dat grotendeels onbekend was voor de wetenschap”, verklaarde de jury haar keuze. Aan de Nobelprijs voor Natuurkunde is een bedrag van bijna 1,1 miljoen euro verbonden. De helft van het bedrag gaat naar Perlmutter. Het andere deel is voor Riess en Schmidt. Hieronder zie je de drie winnaars, van links naar rechts Riess, Schmidt en Perlmutter.

:bron: Bron: Nobelprize.org.

 

Naast supernovae ook gammaflitsers als indicator voor donkere energie?

Impressie van een zware ster die ontploft als gammaflitser

In 1998 werd ontdekt dat het heelal versnelt uitdijt en dat iets dat men de naam donkere energie gaf met z’n afstotende werking verantwoordelijk voor de versnelling is. De versnelde uitdijing werd ontdekt aan de hand van waarnemingen aan ver verwijderde supernovae van het type Ia, die vermoedelijk worden veroorzaakt door een witte dwerg, die te zwaar is geworden door massatoevoer van een nabije ster. Type Ia supernovae zijn betrouwbare afstandsindicatoren en daarom worden ze voor dit soort werk gebruikt. Over de precieze aard van donkere energie bestaan twee theorieën: óf het is een eigenschap van de ruimtetijd zelf – zoals Albert Einstein met z’n Kosmologische Constante λ vermoedde – óf het is een onbekend soort veld, die maar één eigenschap heeft: afstoten. Zo’n veld wordt een scalarveld genoemd. Indien de donkere energie een constante eigenschap van de ruimtetijd is zal de versnelling in de uitdijing constant zijn, maar als sprake is van een scalarveld kan er een verandering in de loop van de tijd optreden. Om te kunnen staven welk model de juiste is moeten sterrenkundigen heel precies de uitdijing van het heelal waarnemen, vanaf het vroege heelal tot nu. Probleem met type Ia supernovae is dat sterrenkundigen er wel ver mee in het heelal kunnen kijken, maar niet tot in de verste gedeelten van het vroege heelal. Vandaar dat er behoefte is aan afstandsindicatoren die nog verder reiken dan type Ia supernovae. Een team Poolse en Italiaanse sterrenkundigen onder leiding van prof. Demiański denkt die indicator gevonden te hebben: gammaflitsers. Dat zijn uitbarstingen in gammalicht, die al sinds het einde van de jaren zestig verspreid over de hemel met regelmaat worden ontdekt. Er zijn twee soorten gammaflitsers, de korte en de lange – bij de eerste duurt de gammaflits minder dan twee seconden, bij de tweede tussen de twee seconden en enkele minuten. Demiański’s team denkt dat met name de gammaflitsers met lange duur gebruikt kunnen worden als kosmische ‘standaardkaars’. Dit soort gammaflitsers zijn vermoedelijk een gevolg van een extreem type supernova, de zogenaamde core collapse supernova, een zeer zware ster die aan het einde van z’n heftige en kortstondige leven z’n buitenlagen wegblaast en wiens kern ineenkrimpt tot een zwart gat. Lange duur-gammaflitsers zijn niet altijd op hun maximum even helder, maar Demiański denkt dat ze door studie van de verschillende eigenschappen ervan toch een idee kunnen krijgen van de totale hoeveelheid uitgestoten energie. Zijn team bekeek een aantal gammaflitsers in sterrenstelsels waar óók een type Ia supernova was waargenomen en zodoende kon hij de gammaflitsers als afstandsindicator calibreren, ijken. Tot nu toe hebben ze met de gegevens van 95 ver verwijderde gammaflitsers nog geen uitsluitsel kunnen geven over de aard van de donkere energie en daarmee van hun afstand tot de aarde. Daar hebben ze nog meer data voor nodig. Meer info over gammaflitsers als afstandsindicator voor donkere energie vindt je in dit wetenschappelijke artikel. :bron: Bron: Science Daily.

Expandeert het heelal sneller in de richting van sterrenbeeld Vosje?

Anisotropie in de expansie van het heelal

Het is een onbeduidend sterrenbeeld aan de noordelijke hemel: Vosje (Vulpecula). Het enige opvallende aan het sterrenbeeld is dat de bekende planetaire nevel M27 zich erin bevindt, ook wel bekend als de Halternevel. Het zou best eens kunnen dat het sterrenbeeld binnenkort om nog een reden bekendheid krijgt. Het duo Rong-Gen Cai en Zhong-Liang Tuo (Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing, China) heeft namelijk op basis van metingen aan 557 ver verwijderde supernovae het vermoeden dat de expansie van het heelal niet naar alle kanten gelijk is en dat de expansie in de richting van het Vosje het grootste is. Volgens de Chinezen zou het heelal een anomalie in de expansie bevatten en zou er een as lopen van het punt met de hoogste expansie in het Vosje naar een punt ergens aan de zuidelijke hemel, waar de expansie het traagst verloopt (zie de afbeelding, waarin links de noordelijke en rechts de zuidelijke hemel zichtbaar zijn. De stippen zijn de supernovae). Sinds 1998 weten de sterrenkundigen op basis van waarnemingen aan type Ia supernovae dat het heelal versnelt expandeert, hetgeen een gevolg is van de mysterieuze donkere energie. De gedachte was altijd dat die expansie naar alle kanten hetzelfde zou zijn, conform het algemeen aanvaarde kosmologische principe, dat de mens geen bevoorrechte positie in het heelal inneemt én dat alle natuurwetten overal hetzelfde zijn. De studie van Cai en Tuo zegt feitelijk dat dat principe onjuist is en dat er wel degelijk een voorkeursrichting in het heelal is, namelijk het sterrenbeeld Vosje. De details van de waarnemingen en berekeningen van het tweetal vindt je in dit wetenschappelijke artikel. Eh… voor de liefhebbers, die vanavond gelijk het Vosje aan de hemel op willen zoeken, hier een kaartje hoe het er uit ziet:

:bron: bron: Technology Review.

Gigantische 570 megapixel camera gaat donkere energie bestuderen

Dit is de 570 megapixel Dark Energy Camera

Wetenschappers van het beroemde Fermilab in Chicago hebben een gigantische camera gebouwd, waarmee men de donkere energie wil gaan bestuderen, het mysterieuze goedje dat bijna driekwart van de gehele massa-energie van het heelal vormt en dat ervoor zorgt dat het heelal versnelt uitdijt. De camera telt 74 grote, blauwgetinte CCD’s,  lichtgevoelige sensoren die ook in de fotocamera’s zitten die wij voor onze vakantiekiekjes gebruiken. Eén verschil: de Dark Energy Camera (DEC) – zoals ze ‘m gedoopt hebben – telt maar liefst 570 megapixels, terwijl die van ons hooguit 12 Mpx op de pixelweegschaal telt.  De camera wordt binnenkort verscheept naar Chili, waar hij later dit jaar achter de 4 meter Blancotelescoop in het Chileense hooggebergte komt te hangen. Nee, zelfs met die camera kan men donkere energie niet direct ‘zien’, daar leent de donkere energie zich niet voor. Maar wat ze wèl willen zien is welk effect de donkere energie precies heeft op de expansie van het heelal en daarom gaat men met de DEC pakweg 300 miljoen sterrenstelsels bestuderen tot afstanden van 6 á 7 miljard lichtjaar afstand, da’s ongeveer de helft tot driekwart van het gehele heelal. De donkere energie werd in 1998 ontdekt door studie van supernovae in ver weg gelegen sterrenstelsels. Met DEC gaat men proberen de afstand tot die 300 miljoen sterrenstelsels nog preciezer te bepalen dan tot nu toe gedaan is en dat levert dan een beeld op van de mate waarin de expansie van het heelal de afgelopen 7 miljard jaar veranderd is. :bron: Bron: NPR.

Switch to our mobile site