12 augustus 2020

Over die zwaartekrachtsgolven uit de inflatieperiode van de oerknal

Credit: BICEP2 Collaboration

Het nieuws is inmiddels wereldwijd bekend: met de BICEP2 detector bij het Amundsen Scott station op de Zuidpool zijn natuurkundigen er in geslaagd zijn om primordiale B-mode polarisatie te detecteren (de kleine streepjes in de afbeelding hierboven) in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engelse afkorting: CMB), de straling die het restant is van de hete oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond. Die B-modes zijn feitelijk afkomstig van de zwaartekrachts- of gravitatiegolven, de in 1916 door Albert Einstein voorspelde rimpels in de ruimtetijd en die ontstaan zijn in het allereerste begin van de oerknal waarmee het heelal ontstond, de zogenaamde inflatieperiode. Die zwaartekrachtsgolven worden beschouwd als de ‘smoking gun’ van de oerknal, het ultieme bewijs dat het heelal met een oerknal is begonnen. Overal op aarde zijn natuurkundigen met diverse experimenten zoals LIGO en VIRGO bezig om te trachten op directe wijze zwaartekrachtsgolven te detecteren, tot nu toe zonder resultaat. Wel werd in 1974 al op indirecte wijze het bestaan van zwaartekrachtsgolven bewezen en wel door de natuurkundigen Joseph Taylor en Russel Hulse met de in dat jaar door hun ontdekte PSR B1913+16, een dubbele neutronenster, waarvan er eentje een pulsar is.

Hierboven zie je PSR B1913+16, links de pulsar met z’n karakteristieke ‘jets’ of straalstromen, zeer energierijke bundels deeltjes, die vanuit de magnetische polen de ruimte in worden geslingerd. Beide neutronensterren draaien zeer snel om een gemeenschappelijk zwaartepunt. Omdat de pulsar als een zeer nauwkeurige kosmische klok werkt waren Taylor en Hulse in staat om nauwkeurig te bepalen hoe snel de beweging van de sterren is én hoeveel verval er in de snelheid is, dankzij het weglekken van energie door het uitstralen van zwaartekrachtsgolven. Door dat weglekken krimpen de banen waarin de twee neutronensterren om elkaar bewegen (engels: ‘orbital decay’), zoals door Einstein werd voorspeld. De waarneming in het verval bleek exact gelijk aan de voorspelling op basis van Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie:

Credit: Hulse & Taylor.

Nou zijn ‘stellaire zwaartekrachtsgolven’ van twee compacte, snel om elkaar heen draaiende neutronensterren iets anders dan ‘primordiale zwaartekrachtsgolven’, afkomstig van de oerknal zelf. Dat blijkt uit onderstaande afbeelding, waarin je de zwaartekrachtsgolven afkomstig van verschillende bronnen ziet, de frequentie in Hz van de golven en de verschillende detectoren waarmee men probeert de golven waar te nemen – dubbelklikken voor de grotere versie.

(credit: New Scientists 2014)

Voor de indirecte ontdekking van zwaartekrachtsgolven ontvingen Taylor en Hulse in 1993 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Sinds de bekendmaking van de ontdekking van de primordiale zwaartekrachtsgolven is het gespeculeer over een volgende Nobelprijs niet van de lucht, waarbij met name Alan Guth en Andrei Linde worden genoemd, de bedenkers van de inflatietheorie van de oerknal.

Alan Guth en Andrei Linde.

Maar helemaal zeker dat deze twee de Nobelprijs gaan winnen is het ook weer niet, want er zijn meer inflatie-kapers op de kust, zoals Katsuhiko Sato en Demosthenes Kazanas, die net als in Linde en Guth in 1980 al inflatie-artikelen publiceerden. De tijd was er toen kennelijk rijp voor. Over Nobelprijzen gesproken: wat betreft het belang van de ontdekking van de primordiale zwaartekrachtsgolven wordt alom een vergelijking gemaakt met de ontdekking van het Higgs boson in 2012 en de uitreiking aan de Nobelprijs voor de twee natuurkundigen die het deeltje in 1964 voorspelden, Peter Higgs en Francois Englert. Beide ontdekkingen worden eenzelfde belang toegekend, al is de ontdekking van vandaag in één opzicht anders van die van twee jaar geleden: hij was minder voorspeld, bijna niemand had dit aan zien komen – op enkele intimi afgelopen vrijdag na dan 😉 – en dat was met de vondst van het Higgs boson in de Large Hadron Collider een stuk minder verrassend. Eigenlijk had iedereen verwacht de ontdekking van B-mode polarisatie en daarmee van primordiale zwaartekrachtsgolven pas in mei dit jaar aan te horen, als de definitieve analyses van de Planck-gegevens van de CMB bekend worden gemaakt. BICEP2 was Planck kennelijk voor. Hieronder als afsluiting nog een infografiek over de zwaartekrachtsgolven.

Gravitational waves explained.Source SPACE.com: All about our solar system, outer space and exploration. Credit: Karl Tate/Space.com.

En om het feestje helemaal compleet te maken hieronder nog een video over BICEP2, het uit 512 detectoren bestaande instrument, dat deel uit maakt van de Dark Lab Sector op het steenkoude Scott-Amundsen station op de zuidpool.

Bron: New Scientist + TRF + ViXra.

Comments

  1. Hilko Dwarshuis zegt

    Het ontdekken van de primordiale B-mode polarisatie is inderdaad groot nieuws. Maar enige nuancering is wel op zijn plaats. De inflatie-hypothese is hoogst speculatief. Ja, het lost twee problemen (horizon en klonterigheid) op, maar het introduceert evenzoveel nieuwe. En veel wetenschappers hebben grote moeite met de niet-falcificeerbaarheid van de theorie.

    Wat er gemeten is is erg interpretatie-gevoelig. Dat de wervelingen in de grafische representatie worden veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven is een aanname, maar wordt als zekerheid gepresenteerd. De inflatie-hypothese verondersteld enorme energieën, waardoor de uiterst zwakke zwaartekrachtsgolven zodanig versterkt worden dat ze meetbare sporen nalaten. Die afleiding hangt van veronderstellingen aan elkaar. Andere oorzaken zijn evengoed denkbaar. Zelfs als je ander bewijs hebt van de inflatie zijn de gemeten resultaten nog steeds erg interpretatie-gevoelig, en moeilijk aan te nemen als extra bewijs. Maar hier wordt inflatie bewezen uitgaande van de gedachte dat er inflatie is geweest. Dat riekt naar een circel-redenering.

    Zwaartekrachtsgolven zijn notoir zwak. Daardoor hebben de meetgegevens een sterke filtering moeten ondergaan. Behalve dat zo’n filtering ook hypothese-gevoelig is (wat filter ik wel, en wat niet), tast de filtering ook de objectieve betrouwbaarheid aan.Dan is dit tot nog toe ook nog het enige ‘bewijs’. Alan Guth zegt zelf: “No experiment should be taken too seriously until there’s more than one that can vouch for it.”

    Tenslotte: de observatie levert niet meer begrip op van de oorzaken van de gemeten signalen. Avi Loeb: “It’s not yet a victory of theoretical physics that we see evidence for a process that took place early on. We really need to understand what this substance — this inflaton — is. And until we do that, it’s just like dark matter or dark energy — we give it a name, but we don’t know what it is.”

    Een meer waarheidsgetrouwe aankondiging zou daarom zijn: “Er is een heel klein signaal van onzekere oorsprong gedetecteerd vanaf de aarde van microgolven die zouden kunnen zijn ontstaan ​​in gravitatiegolven uit de verre ruimte. De observatie wacht nog op bevestiging.” Tsja, dat bekt natuurlijk niet zo lekker, en is veel te lang voor de krantenkoppen.Gelukkig dat men voor het toekennen van Nobelprijzen de tijd neemt.

    • Hilko, bedankt voor je uitvoerige reactie. Je hebt helemaal gelijk dat we niet te voorbarig moeten zijn. De waarnemingen zijn nog niet bevestigd door een onafhankelijk ander instrument, al denkt men wel dat Planck in mei met hetzelfde resultaat aan zal komen en anders zijn er nog wel anderen die ook in de rij staan, zoals Polarbear en de SPT. Maar los van die anderen, ook in deze waarnemingen zitten enkele aannames, die niet zomaar voor waar mogen worden aangenomen. Aan de andere kant hebben ze drie jaar lang zitten studeren op de gegevens, dus ze zijn voor deze publicatie duidelijk niet over één nacht ijs gegaan, meer drie jaar ijs. En bovendien is het belangrijkste dat er een aantal voorspellingen lagen van theorieën, die met deze waarnemingen geverifieerd kunnen worden. Ik geloof dat er al enkele inflatie-varianten gesneuveld zijn, maar anderen bevestigd zijn. Maar ook dat moet allemaal komende tijd nog duidelijk worden.

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: