26 mei 2020

B-mode polarisatie in de kosmische microgolf-achtergrondstraling

Maandag a.s. om 17.00 uur Nederlandse tijd wordt bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) een belangrijke ontdekking bekendgemaakt in de sterrenkunde en het lijkt er volgens de geruchten sterk op dat ze met behulp van de BICEP2 detector op de Zuidpool in de kosmische microgolf-achtergrondstraling zogenaamde primordiale B-modes hebben gedetecteerd. Mocht dat echt zo zijn, dan is er iets baanbrekend aan de hand, zoals ook mag blijken uit de woorden van natuurkundige Philip Gibbs:

If true this would be a very big deal indeed because it could be a direct experimental hook into the physics of inflation and even quantum gravity. These are of course the least well understood and most exciting unchartered waters of fundamental physics. Any observation that could provide phenomenology for these areas would be the greatest empirical discovery for the foundations of our universe for decades. Bron: ViXra.

Een gedeelte van de quote heb ik zelf vet afgedrukt – het belang van deze mogelijke ontdekking aangevend. Een goed moment dus om eens aandacht te schenken aan de twee varianten van B-modes die we kennen.

B-modes

De kosmische microgolf-achtergrondstraling – op z’n Engels afgekort als de CMB (‘cosmic microwave background’) – is de straling van de oerknal, fotonen die zo’n 380.000 jaar na de oerknal vrijkwamen, het moment van ‘het oppervlak van de laatste verstrooiing‘. De in 1964 ontdekte CMB – onlangs nog herdacht – heeft een temperatuur van 2,72548 ± 0.00057 Kelvin. In de straling zijn hele kleine temperatuursverschillen of -fluctuaties gedetecteerd, in 1992 eerst met de COBE satelliet, daarna in veel betere resolutie met de WMAP en Planck satellieten, veroorzaakt door de interactie van de straling met dichtheidsvariaties in de materie. De door Planck waargenomen fluctuaties zie je hieronder – inclusief Planck zelf.

Credit: ESA/Planck

Behalve deze fluctuaties komt in de CMB ook polarisatie voor en wel in drie varianten:

  • E-mode polarisatie
  • ‘Lensed B-mode polarisatie’, veroorzaakt door gravitatielenzen
  • ‘Primordiale B-mode polarisatie’, veroorzaakt door gravitatiegolven

De E- en B-modus hebben een analogie met de welbekende elektrostatica, de leer van de rustende of statische elektriciteit, waarin de eigenschappen van statische elektrische ladingen worden bestudeerd. In de elektrostatica heeft het elektrisch veld (E-veld) een verdwijnende vector rotatie, het magnetische veld (B-veld) een verdwijnende vector divergentie – verdwijnend in de zin dat ze naar 0 gaan. Er zijn twee vormen van polarisatie van licht, de circulaire en lineaire polarisatie en voor dit verhaal houden we ons alleen met de lineaire polarisatie bezig, de eerste vorm komen we vooral in licht afkomstig van de zon tegen. Bij lineaire polarisatie hebben we lichtgolven die maar in één richting (of anders gezegd: maar in één vlak) vibreren. De reeds in 2002 met de DASI-interferometer ontdekte E-mode polarisatie in de CMB is ontstaan door zogenaamde Thompson verstrooiing van de straling, kort voor het laatste moment van de verstrooiing. B-mode polarisatie daarentegen ontstaan door gravitatiegolven, waarbij de ene variant een soort van vervuiling kent door gravitatielenzen, de andere niet vervuild is, de primordiale B-modes, afkomstig uit de inflatieperiode, zeer kort na de oerknal. Door die vervuiling door gravitatielenzen, veroorzaakt door massieve clusters van sterrenstelsels , kan overigens ook de E-mode polarisatie veranderen in B-mode polarisatie, hetgeen het waarnemen er niet gemakkelijker op maakt. Hieronder een illustratie van de E- en B-modes polarisatie, links de E-mode, rechts B-mode. Merk op dat bij de B-mode de vibraties van het licht telkens 45° van elkaar verschillen.

Helemaal bovenaan de blog zie je de waargenomen E-mode en lensed B-mode in de CMB, links E en rechts B, in het midden de ‘gewone’ temperatuursfluctuaties in de CMB. Afijn, om een lang verhaal kort te maken: met de BICEP2-detector, een millimeter/sub-millimeter telescoop van maar liefst 512 detectoren in de Dark Sector Lab bij het Scott-Amundsen station op de Zuidpool, hebben ze wellicht in de CMB primordiale B-mode polarisatie gezien. Hieronder het hart van BICEP2.

Credit: BICEP2 Collaboration

Cruciaal in de vraag of de waarnemingen met BICEP2 inderdaad een signaal van primordiale B-mode polarisatie laat zien, welke uitstijgt boven de ruis, schijnt te zijn wat de waarde van de parameter r is, een parameter die de piekverhouding weergeeft tussen de tensor modes en de scalar modes, een onderwerp dat ik een andere keer zal toelichten. Het gerucht gaat dat r=0,2 volgens de BICEP2 metingen, hetgeen directe gevolgen zou hebben voor de inflatietheorie van de oerknal en zelfs de theorie van de kwantumzwaartekracht. Goed dus om dit komende dagen in de gaten te houden.

De oerknal en binaire pulsars

Tenslotte nog even aandacht voor de relatie tussen de oerknal en binaire pulsars. Eh… hebben die dan met elkaar te maken, hoor ik de lezer van de Astroblogs al roepen? Nou op zich niet nee, ware het niet dat er één link tussen beiden te leggen is. Het hele verhaal hierboven gaat over de B-mode polarisatie in de CMB en die is ontstaan door zwaartekrachts- of gravitatiegolven tijdens de inflatieperiode van de oerknal. Al jaren zijn natuurkundigen over de hele wereld aan het proberen die golven – feitelijk een soort van rimpels in de ruimte en tijd, voorspelt door Albert Einstein – te detecteren, tot nu toe zonder succes. Maar op indirecte wijze zijn ze al aangetoond, namelijk door het duo Joseph Taylor en Russel Hulse, met behulp van de door hun in 1974 ontdekte binaire pulsar PSR B1913+16.

Mocht maandag inderdaad de ontdekking van primordiale B-mode polarisatie worden bekendgemaakt, dan is dat feitelijk een herbevestiging van het bestaan van zwaartekrachtsgolven, zoals Taylor en Hulse veertig jaar eerder hebben gedaan. Ik zie Taylor op 5 april a.s. bij de opening van de radiotelescoop in Dwingeloo, dus ik zal ”t er wel even met hem over hebben. 🙂

BICEP2 en Planck

Mocht het inderdaad zo zijn dat met BICEP2 primordiale B-mode polarisatie in de CMB is gezien, dan hebben de betrokken natuurkundigen het team van de Planck satelliet afgetroefd. De gegevens van die satelliet worden namelijk in mei dit jaar bekend gemaakt. Vorig jaar werden de voorlopige resultaten bekendgemaakt, maar daarin werd nog geen primordiale B-mode gezien. Vandaar dat iedereen uitkeek naar mei als de definitieve resultaten worden bekendgemaakt. Maar ja, gezien de vermoedelijk sensationele ontdekking van a.s. maandag zal dat mosterd na de maaltijd worden. Belangrijk om in dit verband te noemen dat BICEP2 naar een héél klein stukje aan de hemel heeft gekeken, terwijl Planck een all-sky survey van de CMB deed, dus de gehele hemel bestrijkend. Bron: ViXra + Resonaances.

Comments

  1. Jôghûm zegt

    zag op teletekst (nos) dat diegenen die het rapport mochten inzien het Nobelwaardig vonden.
    en wat vind jij evan Arie, jij bent per slot onze journalist met kennis van zaken.

  2. Jôghûm zegt

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: