24 mei 2019

Signaal van neutrino’s van één seconde na de oerknal is bevestigd!

Dat er naast een kosmische microgolf-achtergrondstraling van fotonen (Engels: CMB) ook een kosmische neutrino achtergrond (CNB) bestaat wordt al lang geopperd, maar tot nu toe ontbrak daarvoor het bewijs. De CMB is al in 1964 voor het eerst waargenomen en waarnemingen van de temperatuursverschillen in de CMB zijn gedaan door ruimteverkenners als COBE, WMAP en Planck (zie de afbeelding hieronder).

Temperatuurvariaties in de CMB. Credit: ESA en Planck.

Waarnemingen aan de CNB zijn een stuk lastiger, omdat neutrino’s veel minder reageren met andere materie of straling dan fotonen. Met neutrino-detectoren zoals IceCube op de Zuidpool kunnen neutrino’s van bijvoorbeeld de zon, supernovae en actieve centra van sterrenstelsels worden waargenomen, maar die hebben miljarden keren meer energie dan de ‘fossiele neutrino’s’ van de CNB, die volgens berekeningen een energie van slechts 168 micro-elektron-volt (μeV) hebben. Directe waarneming van deze neutrino’s lijkt daarmee zeer onwaarschijnlijk, ook al zijn er toch experimenten die dit proberen te realiseren. Frappant verschil tussen de CMB en CNB: de fotonen van de CMB dateren van het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing’, dat 380.000 jaar ná de oerknal plaatsvond – de oerknal zelf vond 13,8 miljard jaar geleden plaats. Vóór dat moment was de dichtheid zo groot dat de fotonen niet vrijuit konden bewegen, maar heen en weer knikkerden tussen de atoomkernen en elektronen. De neutrino’s van de CNB reageren niet via de elektromagnetische wisselwerking op andere materie – alleen via de zwakke wisselwerking – en daarom konden die veel eerder al vrijkomen: de neutrino’s van de CNB kwamen al één luttele seconde na de oerknal vrij, veel eerder dus dan de fotonen van de CMB!

Neutrino’s van de CNB hebben invloed op de grootschalige structuren in het heelal. In de afbeelding simulaties daarvan op verschillende momenten in de evolutie van het heelal. Credit: VOLKER SPRINGEL

Maar ja, als directe detectie van deze kosmische neutrino’s onmogelijk lijkt, hoe kan je ze dan toch zien of bewijzen dat ze bestaan? Dat kan op twee manieren, beiden een indirecte manier van waarnemen. Ten eerste heeft de CNB invloed op de CMB en ten tweede heeft het invloed op de grootschalige structuren van clusters en superclusters van sterrenstelsels in het heelal (zie de afbeelding hierboven). Kenmerk van zowel de CMB als de grootschalige structuren is dat er een variëteit is van pieken en dalen, van plekken waar de temperatuur hoger en lager is dan gemiddeld, respectievelijk van plekken waar de dichtheid hoger en lager is dan gemiddeld.

De neutrino’s van de CNB kunnen er met hun energie voor zorgen dat die pieken en dalen worden uitgesmeerd, dat er een soort van verschuiving (phase shift) zou optreden. Bedenk dat de neutrino’s 13,8 miljard jaar geleden een veel hogere fractie van de energieinhoud van het heelal vormden (zie afbeelding hieronder) en dat ze zich toen als een vorm van straling gedroegen.

Credit: NASA, MODIFIED BY WIKIMEDIA COMMONS USER ??, MODIFIED FURTHER BY E. SIEGEL

Twee dingen zouden de mate van invloed daarbij bepalen: hoeveel soorten neutrino’s er zijn en hoeveel energie de neutrino’s hebben. In 2015 waren er al waarnemingen aan de CMB die wezen op beïnvloeding door een CNB. Daarbij kwam naar voren dat er drie soorten neutrino’s bestaan, precies het aantal dat is waargenomen (er zijn drie ‘smaken’ neutrino’s, de elektron-, muon- en tau-neutrino’s) – hoewel er wel aanwijzingen zijn voor het bestaan van een vierde smaak neutrino, het steriele neutrino. Op basis van waarnemingen gedaan met Planck aan de polarisatie van de CMB was men een jaar later in staat om de huidige energie van de fossiele neutrino’s te bepalen: 169 μeV ±2 μeV, corresponderend met een temperatuur van 1,95 K (de fotonen van de CMB hebben een temperatuur van 2,7 K).

Wat toen echter ontbrak waren de waarnemingen aan de grootschalige structuren in het heelal, die op een beïnvloeding door de CNB wijzen. Nou jullie voelen ‘m al aankomen: recentelijk is die waarneming gedaan en daarmee is er een bevestiging gekomen van het bestaan van een CNB. In het kader van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) zijn heel veel clusters en superclusters van sterrenstelsels waargenomen. De eerder genoemde pieken en dalen laten zich zien als zogeheten baryon acoustic oscillations (BAO’s) – zie de afbeelding hieronder.

Impressie van BAO’s in het heelal. Credit: ZOSIA ROSTOMIAN.

De verschuiving in de pieken en dalen door de CNB worden uitgedrukt in twee parameters, genaamd α en β en in theorie zouden beiden precies 1 moeten zijn. Uit de SDSS-waarnemingen (hieronder te zien) blijkt dat α inderdaad 1 is. De waarde voor β is nog niet goed bekend, maar duidelijk is wel dat die niet 0 is, de waarde die je zou hebben als er géén CNB bestaat.

Het resultaat van analyse van de SDSS-gegevens aan de BAO’s. Credit: D. BAUMANN ET AL. (2019), NATURE PHYSICS.

Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de BAO’s door SDSS en de bevestiging daarmee dat er een CNB bestaat, het oudst bekende signaal in het heelal. Met toekomstige waarnemingen met grotere instrumenten – met name DESI, Euclid, WFIRST en de LSST – wil men de waarnemingen aan de CNB verbeteren. Bron: Starts with a Bang.

Reacties

  1. zetje01 zegt

    Nou, dat zit dus precies zo als ik altijd al dacht …

    (sorrysorry!)

  2. Van welke plaats in het universum moet die CNB in rechte lijn naar ons toe worden gestraald, om hier pas na 13,8 miljard door ons te worden gedetecteerd?

    Van CMB kan je nog propageren dat die her en der tegen van alles is aangebotst, gereflecteerd en afgebogen wordt.
    Dat er nog voldoende oeroude fotonen zijn, wil ik wel geloven, maar oeroude neutrinos…. 😕

    Groet, Paul

    • Het signaal van CNB en CMB komt van alle kanten. Er is niet een plekje aan de hemel aan te wijzen waarvan je kan zeggen ‘dáár komt het vandaan, dáár was de oerknal’.

      • Ook al komt het van alle kanten, de golf had allang over ons heen moeten zijn gekomen. 😉

        De doorsnede van het heelal was 13 miljard jaar terug nog niet zo groot, en de Neutrino’s razen met de lichtsnelheid alle kanten op. De grootste concentratie BB-neutrino’s moeten zich dus in de buurt van het vlamfront bevinden, waar nog steeds extra volume wordt ‘geschapen’…

  3. Het klinkt bijna te mooi om waar te zijn. Spannend en hopelijk wordt het binnenkort met andere waarneming(en) bevestigd:)

  4. @Arie

    Dus de rand van het Heelal is ooit de oerknal geweest….,

    De rand van het Heelal was ooit het binnenste van het binnenste…,

    en de CNB enCMB schijnen nog steeds naar binnen…,

    terwijl de rand versneld naar buiten gaat………

    pff

    • Hoe verder je weg kijkt des te meer kijk je terug in de tijd. Kijk je naar het Andromedastelsel, dat op ruim 2 miljoen lichtjaar afstand staat, dan kijk je twee miljoen jaar terug in de tijd. Kijk je naar de fotonen van de CMB dan kijk je 13,8 miljard jaar terug in de tijd. En ja, dan kijk je dus ook naar het alleroudste stukje licht van het heelal van kort na de oerknal.

  5. Dus aan de achterzijde van ons heelal bevinden zich neutrinos. Wat als die neutrinos afkomstig zijn van een botsing van twee super zware zwarte gaten die buiten onze waarneembare horizon bevinden.
    Ik ga er nog steeds niet vanuit dat alle massa in het heelal op een plek samen is geweest voor de oerknal. Volgens mij is de kritische massa al eerder bereikt.
    Zwarte gaten zijn de scheppers van het heelal. Valt er een ster in dan wordt er ook een boel materie afgestoten.
    Daaruit is de wereld opgebouwd. De zwaarste elementen zullen zich eerder hechten aan de kern van het zwarte gat terwijl de lichtere elementen juist weg zullen drijven.
    Ieder element streeft naar een edelgas configuratie om neutraal te worden. Waterstof is in overvloed aanwezig in het heelal . Het wordt door zwaardere elementen geannexeerd om de edelschil te bereiken. Zo ontstaan moleculen met andere eigenschappen. Kijk maar naar water en waar we nu teveel van hebben co2. De reactie om neutraal te worden maakt het interessant.
    Dit dankzij de zwarte gaten die de boel eerst uit elkaar hebben gerukt.

Laat wat van je horen

*

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

%d bloggers liken dit: