Krachtigste zonnevlam in vier jaar tijd geregistreerd met radioblackout rond de Atlantische Oceaan

De grootste zonnevlam in vier jaar tijd heeft zich gemanifesteerd op drie juli j.l. De zonnevlam barstte los vanaf een zonnevlek genaamd AR2838 en is geclassificeerd als een X1-klasse vlam door het US Space Weather Prediction Center (SWPC). Dit betekent dat de zonnevlam het helderste en grootste type in zijn soort was – groot genoeg om een korte radiostoring op aarde te veroorzaken. Deze uitbarsting van röntgenstraling reisde zaterdagmiddag met de snelheid van het licht naar de aarde, botste, na zo een acht minuten, tegen de bovenlaag van de aardse atmosfeer en veroorzaakte een radioblackout boven de Atlantische Oceaan en de kustgebieden. De blackoutkaart hier laat zien waar radio-operators rond 15:30 UTC (17:30 NL’se tijd) de blackout hebben opgemerkt, zie bv hier in het Noorse Lofoten.  Zonnevlammen worden gecategoriseerd in A, B, C, M of X. A’s zijn de kleinste en de X-klasse vertegenwoordigen de grootste en helderste klasse van zonnevlammen.

Zonnevlek met vlam AR2838 Credits; NaSA/SDO

Op NASA’s Spaceweather stelde astronoom Tony Phillips dat de zonnevlam vrij plotseling opkwam: “Yesterday it did not even exist, highlighting the unpredictability of solar activity.” Een zonnevlam is een intense uitbarsting van straling is die voortkomt uit het vrijkomen van magnetische energie geassocieerd met zonnevlekken. Zonnevlekken zijn tijdelijk aanwezig donkere plekken op de zon, die ten opzichte van hun omgeving minder heet zijn, in afmeting variërend van enkele tot duizenden kilometers. De zon kent perioden met veel en weinig zonnevlekken, die elkaar afwisselen, de zogeheten zonnecycli. Gedurende de perioden met de meeste zonnevlekken spreken we van een zonnevlekkenmaximum en de perioden met geen of nauwelijks zonnevlekken staan bekend als zonnevlekkenminima. Zonnevlammen zijn de grootste explosieve gebeurtenissen in het zonnestelsel, ze kunnen enkele minuten tot enkele uren aanhouden. De zonnevlam van 3 juli was de eerste X-klasse vlam die de zon produceerde sinds zich in december 2019 een nieuwe zonnecyclus aanving. Tijdens de zonnecyclus ’24’ produceerde de zon 49 X-flares. En daarom verwachten wetenschappers nog tientallen X-flares als de zon tegen het jaar 2025 het zonnemaximum nadert. In het verleden hebben sterke zonnevlammen en coronale massa-ejecties (CME’s) wijdverbreide stroomstoringen en communicatiestoringen op aarde en de satellieten in de ruimte veroorzaakt. Zijn we voorbereid op komende zonnestormen? Lees hier meer over op Ethan Siegels recente blog over CME’s in ‘Ask Ethan’. Deze zonnevlek ‘AR2838’ verdween ook weer snel, op 3 juli bewoog de zonnevlek zich naar het noordwestelijke deel van de zon en zal zich de komende twee weken naar de andere kant van de ster verplaatsen. Bronnen: NASA/SDO, NOAA, Spaceweather PC, Forbes, Space.com.

Gooi een axionbom in een zwart gat en de behoudswet van lading wordt geschonden

Impressie van een zwart gat. Credit: NASA/JPL-Caltech

Natuurkundigen zijn dol op behoudswetten, de wetten die stellen dat een bepaalde eigenschap (bijvoorbeeld massa, energie, lading, impuls, etc.) van een systeem constant blijft als externe factoren geen rol spelen. Eén daarvan is de behoudswet van lading, de wet die stelt dat de totale lading in een geïsoleerd systeem nooit verandert. Maar onderzoekers van Imperial College London, Cockcroft Institute en Lancaster University denken dat de behoudswet van lading wel degelijk geschonden kan worden en wel bij zwarte gaten. Sinds John Wheeler in de jaren zestig met z’n no-hair-theorema kwam weten we dat zwarte gaten maar drie eigenschappen hebben: massa, impulsmoment en… lading. Die lading is in principe gelijk aan de lading van de ster waaruit het zwarte gat is onstaan en daarmee is de lading behouden. Vallen er drie positief geladen protonen in een zwart gat, dan zouden er ook drie negatief geladen elektronen in moeten verdwijnen om de ladingbalans in evenwicht te houden.

Een axion veld en elektromagnetisch veld die met elkaar verbonden zijn. Credit: Imperial College London.

Nu komen drie onderzoekers dus met de hypothese dat zwarte gaten wel degelijk de behoudswet van lading kunnen schenden. Dat gaat niet zomaar, want er is naast een verdampend zwart gat (een zwart gat dat middels uitzending van Hawkingstraling massa verliest) nog iets bijzonders voor nodig, namelijk een… axionbom. Axionen zijn we hier op de Astroblogs vaker tegengekomen, hypothetische deeltjes die één van de vele kandidaat-donkere materie deeltjes zijn [1]Dit hypothetische deeltje werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd … Continue reading. Aan dat deeltje is ook een veld verbonden, het axionveld, en dat veld zou in theorie kunnen reageren met elektromagnetische velden, die we maar al te goed kennen en die beschreven worden middels de veldvergelijkingen van Maxwell. OK en dan de hamvraag hoe je die schending van behoudswet van lading in een zwart gat bewerkstelligt. Welnu, als je in een verdampend zwart gat een massa van axionen zou gooien, die een lading heeft door die verbonden axion- en EM-velden, dan zou dat de lading van het zwarte gat dusdanig veranderen dat er een schending van de behoudswet van lading plaatsvindt. Hier het vakartikel waarin je alle details van deze hypothetische excercitie kunt nalezen, verschenen in Annalen der Physik (het tijdschrift waarin eerder Albert Einstein z’n Speciale en Algemene Relativiteitstheorie publiceerde). Bron: Science Daily.

References[+]

References
1 Dit hypothetische deeltje werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd de Peccei-Quinn theorie voor in het leven geroepen en die vereiste het bestaan van het axion. Dankzij de axionen kan het neutron elektrisch neutraal zijn en blijven én ze verklaren waarom we niet op grote schaal deeltjes zien die de zogeheten CP-symmetrie schenden (het zogeheten sterke CP-probleem).

Er wordt vol ingezet op detectie van de Kosmische axion Achtergrond

Credit: myersalex216 / Pixabay.

De kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: Cosmic Microwave Background, CMB) kennen we allemaal, de in 1964 ontdekte straling die het restant is van de hete oerknal, waarmee het heelal 13,8 miljard jaar geleden ontstond. De Kosmische Axion Achtergrond (yep, de Cosmic axion Background, CaB) is minder bekend [1]Eerder bespraken we op dit podium ook al eens de Kosmische infrarood Achtergrond en de Kosmische neutrino Achtergrond. Tsjonge, hoeveel achtergronden hebben we wel niet?. Logisch, want die achtergrond is nog hypohetisch, de deeltjes waaruit ‘ie zou moeten bestaan zijn nog helemaal niet gedetecteerd. Dat hypothetische deeltje is het axion, genoemd naar een Amerikaans reinigingsmiddel. Dit hypothetische deeltje werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd de Peccei-Quinn theorie voor in het leven geroepen en die vereiste het bestaan van het axion. Dankzij de axionen kan het neutron elektrisch neutraal zijn en blijven én ze verklaren waarom we niet op grote schaal deeltjes zien die de zogeheten CP-symmetrie schenden (het zogeheten sterke CP-probleem). Prettige bijkomstigheid van het axion – áls het bestaat – is dat het een kandidaat voor de donkere materie is. Bovendien zou het axion inzicht verschaffen in de situatie ten tijde van de eerste paar seconden van de oerknal. Ja, één of twee tellen na de oerknal, dat is andere koek dan de fotonen van de CMB, die dateren van 380.000 jaar na de oerknal.

Credit: Dror et al.

Naar dat axion wordt wereldwijd door diverse teams met evenzovele experimenten en instrumenten gezocht. Zomer vorig jaar was er al groot nieuws toen het XENON1T team bekendmaakte dat ze een mogelijk signaal van axionen hadden gezien. Dat is nooit bevestigd of ontkracht, dus dat nieuws blijft nog even in de la met ongeverifieerde claims. Maar verdere speurtochten, met exotische namen zoals MADMAX, HAYSTAC, ADMX en DMRadio, zijn ook nog gaande. Recent hebben Jeff A. Dror en z’n collega’s (o.a. Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe) al die speurtochten eens doorgerekend om te weten welk massabereik die axionen hebben en welke kosmische vragen de ontdekking daarvan zouden kunnen beantwoorden. De afbeelding hierboven laat het resultaat zien. En dat ziet er  best interessant uit. Hopelijk volgen de antwoorden op de kosmische vragen snel. Hier het vakartikel van Dror et al, verschenen op 7 juni in Physical Review D. Bron: Phys.org.

References[+]

References
1 Eerder bespraken we op dit podium ook al eens de Kosmische infrarood Achtergrond en de Kosmische neutrino Achtergrond. Tsjonge, hoeveel achtergronden hebben we wel niet?

ATLAS begint de charm te zien in het higgsverval

Het in 2012 ontdekte higgsdeeltje geeft in theorie materiedeeltjes hun massa, maar experimenteel is dat tot nog toe alleen bewezen voor de allerzwaarste quarks. Met een nieuwe analyse begint het ATLAS-experiment nu ook zicht te krijgen op de koppeling met een lichter quark, het charm-deeltje.

Voorbeeld van een protonbotsing in de ATLAS-detector waarbij een geproduceerd higgsdeeltje vervalt naar twee c-quarks die elk een jet (blauwe kegel) van deeltjes produceren. Rood zijn de sporen van twee muonen. Credit: ATLAS Collaboration.

Op de LHCP2021 conferentie wordt vandaag bekendgemaakt dat die koppeling niet meer dan 8,5 keer groter kan zijn dan de waarde die in het Standaardmodel voorspelt. “Dit is de eerste directe limiet voor higgs naar charm-quarks die met een experiment is gemeten”, zegt Nikhef-fysicus Tristan Du Pree. “In principe laten we zien dat er geen reusachtige afwijkingen van het Standaardmodel kunnen zijn. Die zouden we nu al gezien hebben.”

Du Pree ontwikkelde met zijn team de afgelopen jaren de techniek waarmee het verval van higgsdeeltjes naar twee charm-quarks wordt bekeken in botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN. Nikhef is de Nederlandse partner in het ATLAS-project.

Onlangs ging bij Du Pree’s analyseteam de champagne open bij de eerste vergelijking van de metingen met de voorspellingen, toen bleek dat de analyses goed werken en een rechtstreekse schatting van de higgskoppeling mogelijk was. Nu wordt het resultaat ook openbaar, via de grootste conferentie voor LHC-fysica LHCP2021.

Sleutel bij het begrijpen van het higgsboson en zijn rol in het Standaardmodel is zijn interactie met materiedeeltjes. Quarks en leptonen bestaan er in drie generaties. Alleen van de zwaarste derde generatie materiedeeltjes (tau-lepton en de top- en bottomquarks) is tot nog toe de invloed van het higgsdeeltje echt gemeten.

Grafiek met de resultaten van de metingen met ATLAS. Credit: ATLAS Collaboration.

In theorie gaat de greep van de higgs op materiedeeltjes netjes gelijk op met hun massa. Maar het zou ook anders kunnen uitpakken. De enige manier om uit te vinden wat de natuur doet is via het bestuderen van deeltjesbotsingen waarbij higgsdeeltjes ontstaan, die daarna snel uit elkaar vallen.

In het nieuwe onderzoek is voor het eerst rechtstreeks gekeken naar de invloed van de higgs op de tweede generatie materiedeeltjes, in het bijzonder het charm-quark. De theorie voorspelt hoe vaak een higgsdeeltje uiteenvalt in twee charm-quarks, die zogeheten jets van energie en deeltjes produceren.

In de experimenten is dat verval naar charm-quarks niet gezien. Dat wil niet zeggen dat het verval er niet is, maar dat er een limiet is aan hoe vaak dat verval optreedt. Daarmee is een schatting te maken van de maximale koppeling van het higgsdeeltje naar charm-quarks.

Die blijkt met de huidige foutenmarge zeker honderdmaal kleiner dan de koppeling van het higgsboson met het zwaarste quark, het top-quark. Dit is in lijn met de theorie van het higgsmechanisme.

Tegelijk konden Du Pree en zijn team laten zien dat de metingen wel voor het eerst het voorspelde ontstaan van zulke W- en Z-bosonen laten zien. Dat is een goede controle op de analyses. “W en Z kennen we al uit de vorige eeuw. Maar de meting laat zien dat onze techniek ook bij de LHC-protonenbotser uitstekend werkt”, zegt promovendus Marko Stamenkovic van Nikhef in een Nikhef PAPERCLIP-video. Hij promoveert later dit jaar op de nieuwe analyses. Bron: Nikhef.

Zetelt er in het centrum van de Melkweg mogelijk een klomp donkere materie in plaats van een zwart gat?

In het centrum van de Melkweg zetelt het superzwarte zwarte gat Sagittarius A*, in het bezit van zo een 4 miljoen zonsmassa’s. Astronomen van het International Centre for Relativistic Astrophysics (ICRA, La Sapienza) in Rome hebben recent onderzoek gedaan naar de aard van het zwarte gat. Sgr A* kan niet direct waargenomen worden maar wordt afgeleid van de bewegingen van de sterren die eromheen dwalen. Misschien is een zwart gat niet de enige kandidaat om in het centrum van de Melkweg te zitten, zo opperde het team. Twijfels hierover bestaan al langer, met name gezaaid door het onderzoek aan de G2-gaswolk. Het team voerde computersimulaties uit waarin het ‘zwarte gat-model’ vervangen werd door een klomp donkere materie. Donkere materie is een veronderstelde materie in het heelal (27% van de totale materie/energie-inhoud van het heelal), die niet interageert met EM-straling en dus lastig te detecteren is met optische middelen. Niet zichtbaar, maar de zwaartekracht die wordt veroorzaakt door DM houdt wel de melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels bij elkaar. Een theorie voor de identiteit van DM suggereert dat het is gemaakt van hypothetische deeltjes genaamd ‘darkino’s’. Het ICRA-team ontdekte dat als DM hieruit zou bestaan, het in sommige gevallen nauwkeuriger een reeks waarnemingen in het Melkweg-centrum zou kunnen verklaren, beter dan het zwarte gat. Het wetenschappelijk paper van het team met als eerste auteur Edoardo Becerra-Vergara is op 20 mei j.l. gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Sagittarius A met Sgr A* Credits; NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Sgr A* in het centrum van de Melkweg bevindt zich in de samengestelde radiobron Sagittarius A op zo een 25.800 lichtjaar afstand van de Zon. De bron werd Sgr A* genoemd om het te onderscheiden van andere componenten van Sgr A. Sgr A* kan niet direct waargenomen worden maar wordt afgeleid van de bewegingen van de sterren die eromheen dwalen. En misschien is het zwarte gat niet de enige kandidaat om in het centrum van de Melkweg te zetelen. De twijfels werden zeven jaar geleden gezaaid. Een gaswolk, G2, bleek in een baan om Sgr A* te cirkelen, en deze zou begin 2014 gevaarlijk dicht langs het object zou gaan. Astronomen keken vol verwachting toe – en als Sgr A* een superzwaar zwart gat was zoals verwacht, dan zou G2 aan flarden worden verscheurd. Verrassend genoeg overleefde G2 de nadering zonder problemen. Astronomen noemden het een ‘lack of fireworks’ en het leidde tot speculatie dat G2 i.p.v. een gaswolk, een opgeblazen, ‘puffy’, ster zou zijn, met voldoende zwaartekracht om zijn vorm te behouden. De aard van G2 trok ICRA niet in twijfel, maar wel die van Sgr A*. Het team simuleerde het centrum van de Melkweg, als bestaande uit een klomp DM. Deze DM zou bestaan uit darkino’s, neutrale ultralichte deeltjes die behoren tot een groep die fermionen wordt genoemd. Deze darkino’s klonteren in het centrum van de Melkweg en spreiden zich uit in een meer diffuse wolk. Een belangrijk kenmerk van fermionen (i.t.t. bosonen) is dat slechts één van hen tegelijkertijd een bepaalde kwantumtoestand in een bepaalde ruimte kan innemen, wat beperkt hoe dicht ze samen kunnen worden verpakt. Als zodanig is de kern van deze ‘klomp’ een veel minder extreme omgeving dan een superzwaar zwart gat, waardoor G2 ongedeerd heeft kunnen passeren. (M.a.w. als DM bestaat uit darkino’s, en het zijn fermionen, dan zouden deze DM-deeltjes zich slechts tot op zekere hoogte in de kern van een melkwegstelsel concentreren. I.p.v. een superzwaar zwart gat, met een scherp gedefinieerde rand aan de waarnemingshorizon, is er een gigantische bal van dicht opeengepakte darkino’s.)  Maar dat is niet de enige observatie dat het model past. Het team ontdekte ook dat als darkino’s een massa van ongeveer 56 keV hadden, de simulatie nauwkeurig de bewegingen voorspelde van een cluster van nabije sterren genaamd de S-sterren, evenals de rotatiecurve van de buitenste halo van de Melkweg. Al met al is het mysterie nog niet opgelost, en blijft een superzwaar zwart gat de meest waarschijnlijke kandidaat op die positie in de Melkweg, daar het de waargenomen fysische fenomenen op een relatief eenvoudige manier verklaart. Bovendien ziet men zwarte gaten in het centrum van de meeste andere sterrenstelsels. Het team stelt dat verder onderzoek nodig is om hier meer licht op te werpen. Bronnen: LiveScience, EarthSky, New Atlas, ESO

 

In de eerste microseconde na de oerknal leek het Quark-Gluon Plasma op… water!

Een superheet quark-gluon plasma. Credit: RHIC/FNAL

Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen zijn door experimenten met de ALICE detector van de Large Hadron Collider bij Genève meer te weten gekomen over de wijze waarop materie zich in de allereerste microseconde na de oerknal gedroeg. Die oerknal is al weer 13,8 miljard jaar geleden gebeurt en omdat de simulaties op de computer om de omstandigheden na de oerknal na te bootsen erg complex zijn heeft men de oerknal in de ALICE detector min of meer nagebootst. Bij ALICE knalt men in de 27 km lange deeltjesversneller loodatomen tegen elkaar aan en dat levert verschrikkelijk hoge temperaturen op, die vergelijkbaar zijn met de situatie zeer kort na de oerknal. Uit eerdere experimenten was al duidelijk geworden dat de materie in de eerste microseconde – zeg 0,000001 seconde – na de oerknal bestaat uit een heet plasma van losse quarks en gluonen, een Quark-Gluon Plasma (QGP). Dat plasma wordt beheerst door de sterke wisselwerking, de kracht tussen de quarks en gluonen, die beschreven wordt door de zogeheten kwantum chromodynamika.

ALICE. Credit: CERN.

Lange tijd dachten de sterrenkundigen en natuurkundigen dat zo’n QGP zich tijdens de oerknal als een gas gedroeg. Maar wat blijkt nu uit de experimenten met ALICE, gedaan door You Zhou en z’n team: dat het QGP zich meer als een vloeistof gedraagt, als… water. Het QGP bleek vloeiend te zijn en het had een gladde, zachte textuur zoals water. Na de QGP fase krijg je dat de quarks zich gaan formeren in groepjes tot hadronen, zoals de protonen en neutronen, die uit drie quarks bestaan. En daaruit ontstaan dan later weer de bekende elementen, zoals waterstof en helium.

Credit: NASA/WMAP/JPL

Vóór de QGP-fase gebeurde overigens ook nog iets interessants. Wellicht denk je dat die tijd tussen de oerknal zelf (t=0) en de start van de QGP-fase zo kort is dat er niets zal zijn gebeurt, maar dan vergis je je, want in die korte fase trad namelijk de zogeheten inflatieperiode op, een zeer kort durende periode, waarin het heelal exponentieel toenam in omvang. Het heelal werd toen 10^26 keer zo groot en koelde met een factor 100.000 af.  Hier het vakartikel over de loodexperimenten bij ALICE, verschenen in Physics Letters B. Bron: Phys.org + Koberlein.

Voyager 1 detecteert een continue ‘bromtoon’ van interstellair gas

Gelanceerd in 1977 heeft de Voyager 1 ruimtesonde van NASA al zeer veel prestaties op zijn conto staan, waaronder dat het momenteel het verst verwijderd door mensen gemaakt object is. Voyager 1 bevindt zich momenteel op maar liefst 22,8 miljard km afstand van de aarde, communiceert via het Deep Space Network en sinds augustus 2012 toen het de heliopause doorkruisde bevindt het zich in de interstellaire ruimte. Een onderzoeksteam van de Cornell University, Ithaca (NY) o.l.v. Stella Koch Ocker en James M. Cordes publiceerde op 10 mei j.l. in Nature Astronomy de resultaten van de nieuwste, eveneens indrukwekkende, ontdekking betreffende de Voyager 1. Het wetenschappelijk paper van het team is getiteld ‘Persistent plasma waves in interstellar space detected by Voyager 1’. Het team detecteerde via het Plasma Wave System op de Voyager 1 een zwakke plasma-‘bromtoon’, wat erop kan duiden dat er mogelijk meer activiteit is in interstellair gas dan astronomen aanvankelijk dachten.

Voyager 1 in de diepe ruimte, artistieke afbeelding Credits; NASA/JPL

Stella Ocker, eerste auteur van de studie stelt: “Het [signaal] is erg zwak en monotoon, omdat het zich in een smalle frequentieband bevindt,” en vervolgt, “We detecteren het zwakke, aanhoudende gezoem van interstellair gas (plasmagolven). En dit onderzoek stelt ons wetenchappers in staat meer inzicht te krijgen in de interactie tussen het interstellair medium en de zonnewind, en, tevens beter te begrijpen hoe de beschermende bel van heliosfeer gevormd en gemodelleerd wordt door de interstellaire omgeving.” Voyager 1 draagt het ‘Plasma Wave System’ bij zich die de elektronendichtheid meet, en zette de PWS in voor observatie van o.a. de magnetosferen van Jupiter en Saturnus. Maar pas toen het vaartuig het zonnestelsel verliet, kwam de PWS echt uit de verf. Als een van de weinige instrumenten die na al die decennia nog steeds operationeel zijn, kon NASA de PWS gebruiken om de plasma-schokgolven te meten toen Voyager 1 uit de heliosfeer kwam, de heliosfeer is het gebied waar de zonnewind de overheersende stroom van deeltjes is. M.b.v. deze data bevestigde NASA dat de Voyager 1 in 2012 het eerste door mensen gemaakte object was dat de interstellaire ruimte binnenging. Sindsdien heeft het vaartuig gegevens over de heliosfeer doorgegeven. En nu heeft de PWS een constant achtergrondsignaal van het plasma gedetecteerd, wat lijkt te suggereren dat er een hogere basislijn van activiteit gaande is in de interstellaire ruimte dan werd gedacht. Het oppikken van dit signaal was lastiger dan het lijkt. Hoewel de zonnewinden niet verder reiken dan de rand van de heliosfeer, blijkt dat de invloed van de zon zich soms wel uitstrekt tot in de interstellaire ruimte wanneer het coronale massa-ejecties (CME’s) afwerpt. Deze energetische uitbarstingen werden voor het eerst gedetecteerd door de PWS in 2014, die ze registreerden als ‘tsunami’s’ en het moeilijk maakten om iets anders op te vangen. Maar het PWS heeft toch tussen alle commotie van de CME’s door goed kunnen ‘luisteren’. Co-auteur Cordes beschrijft het als volgt; “Het interstellaire medium is als een kalme regenbui,” en cordes vervolgt “.. en in het geval van een uitbarsting van de zon, is het alsof je een blikseminslag detecteert tijdens een onweersbui waarna de rust weer terugkeert in een meer kalme regenbui.” Bronnen: Cornell

Astrofysici ontdekken 14 kandidaat-‘antisterren’ in onze Melkweg

Een team astrofysici van het IRAP, het Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, te Toulouse, heeft o.l.v. Simon Dupourqué en Peter van Ballmoos, onderzoek gedaan naar mogelijke sterren opgebouwd uit antimaterie of kortweg ‘antisterren’ (Fr. ‘antietoiles’) in onze Melkweg. Het team identificeerde enkele signalen die duiden op sterren opgebouwd uit antimaterie en men berekende hoeveel er zich in onze Melkweg zouden kunnen bevinden. Sterren die volledig bestaan uit antimaterie klinkt als sciencefiction. Het is bekend dat de botsing tussen antimaterie en materie gammastraling produceert, de meest energetische vorm van straling. Daarom gebruikte het team van IRAP data van de Fermi Gamma-ray ruimtetelescoop om het maximale aantal antisterren in onze Melkweg te schatten. De resultaten van IRAP-onderzoek zijn op 28 april j.l. gepubliceerd in Physical Review D. Antimaterie is de tegenhanger van ‘gewone’ (baryonische) materie, elk elementair deeltjes heeft zijn antideeltje, zijn fysische eigenschappen zijn hetzelfde, alleen de elektrische lading is tegegesteld. Als een materiedeeltje op zijn tegenhanger botst, heffen ze elkaar op, dit resulteert in een enorme uitbarsting van energie. Antimaterie lijkt zeldzaam, er zijn bv weinig positronen (antideeltje van het elektron) en antiprotonen gedetecteerd, o.a. bij natuurljke fenomenen als bolbliksems of plasmajets van neutronensterren en kunstmatige productie vindt plaats in de LHC. Toch zouden beide toestanden van materie in gelijke hoeveelheden bij de oerknal moeten zijn gemaakt, maar materie lijkt dominant.
Lees verder

Nog even over de vorming van zo’n baryonische akoestische oscillatie

Voorstelling van grootschalige baryonische accoustische oscillaties in het vroege heelal. Credit: LBNL

Over baryonische akoestische oscillaties (BAO’s) heb ik het vaker gehad, afgelopen zaterdag nog. Volgens de Wikipedia zijn BAO’s ‘fluctuaties in de dichtheid van de zichtbare baryonische materie (normale materie) van het heelal, veroorzaakt door akoestische dichtheidsgolven in het oorspronkelijke plasma van het vroege heelal’. Dat klinkt best cryptisch. Maar ik zag pas een schitterende animatie, waarin wordt getoond hoe die BAO’s, die pakweg 500 miljoen lichtjaar (150 Mpc) in doorsnede zijn, precies ontstaan. De animatie toont ons vier ingrediënten in de eerste half miljard jaar van het bestaan van het heelal, te weten gas (baryonen en elektronen), straling (fotonen), neutrino’s en donkere materie. Omdat neutrino’s vanaf het allereerste moment vrij rondvliegen met de lichtsnelheid en nergens mee reageren vergeten we die even en concentreren we ons op het gas, de straling en de donkere materie (weergegeven door de blauwe, gestreept rode respectievelijk zwarte lijnen). Ik begin met het tonen van die animatie, waarin te zien is hoe in die eerste 500 miljoen jaar van het heelal (leeftijd zie je rechtsboven in Myr, daaronder staat de roodverschuiving z) verstoringen in de dichtheid van de drie ingrediënten groeien. Die verstoringen zijn lokale dichtheden, die hun oorsprong vinden in de kwantum fluctuaties in de inflatieperiode in de eerste fractie van een seconde van het heelal. Op de x-as staat de straal van de groeiende verstoringen, weergegeven in Mpc (1 Mpc=3,26 miljoen lichtjaar; het zijn afstanden die omgerekend zijn naar het huidige heelal), op de y-as staat het ‘massaprofiel’ van de ingrediënten, d.w.z. de dichtheid x het kwadraat van de straal.

Credit: Daniel Eisenstein.

Belangrijk is om te weten dat donkere materie alleen reageert op de zwaartekracht, terwijl gas en straling ook via de elektromagnetische wisselwerking reageren op elkaar. Om die reden gedragen gas en straling zich als een soort vloeistof van baryonen en fotonen, waarvan de lokale dichtheden zich als akoestische golven uitbreiden. In dat vroege heelal zijn er twee tegengestelde krachten die erg belangrijk zijn: aan de ene kant is er de stralingsdruk van de fotonen, welke naar buiten is gericht, aan de andere kant is er de zwaartekracht van de baryonen, welke naar binnen is gericht. Het plasma van geïoniseerd gas is zo heet dat fotonen niet ver kunnen reizen omdat ze voordurend verstrooien met de elektronen. In de vloeistof van gas en straling zorgt de straling voor een overdruk en daardoor groeien de lokale dichtheden, die zich met een snelheid van 57% van de lichtsnelheid uitbreiden. Dat zie je in de animatie als de piek, die vanuit het centrum naar rechts gaat, een piek die in eerste instantie een combi is van gas en straling, blauw en rood gestreept.

Credit: Daniel Eisenstein.

Dat duurt tot de tijd 0,38 Myr aangeeft, 380.000 jaar na de oerknal (roodverschuiving z=1081) – zie de afbeelding hierboven. Door de expansie van het heelal daalde de gemiddelde temperatuur in het heelal en toen het heelal 380.000 jaar oud was, toen een temperatuur van het gas van 3000 K werd bereikt, was het ‘koud’ genoeg voor de baryonen (atoomkernen) en elektronen om te bundelen tot neutrale atomen, waardoor de fotonen voortaan vrijelijk konden bewegen, zonder verstrooid te worden. Dat was het moment van ‘het oppervlak van de laatste verstrooiing‘, het moment dat vastgelegd is in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (de CMB, zie hieronder).

Temperatuursverschillen in de CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Toen de straling en het gas loskoppelden viel voor het gas de overdruk weg en vanaf dat moment overheerst de zwaartekracht in het gas. Op dat moment zie je twee hoge pieken: links eentje bij het centrum van de verstoring, waar de donkere materie overheerst (donkere materie is vermoedelijk cold dark matter, koude donkere materie, ‘koud’ betekent langzaam bewegend), rechts eentje bij een straal van 150 Mpc van gas. In de miljoenen jaren na het moment van het oppervlak van de laatste verstrooiing gebeurt er nog iets interessants, hetgeen je duidelijk in de animatie ziet. De piek van donkere materie links in de grafiek (bij het centrum van de verstoring, ca. 10-20 Mpc breed) trekt door de zwaartekracht het gas omhoog, de piek van gas rechts in de grafiek (bij 150 Mpc) trekt door de zwaartekracht de donkere materie omhoog! Omdat het gas en de donkere materie koud zijn gaat die samenklontering niet zo snel en je ziet aan de grafiek dat het wel tot 500 miljoen jaar na de oerknal duurt voor ze elkaar opgetrokken hebben. Hieronder de situatie 475 miljoen jaar na de oerknal.

Credit: Daniel Eisenstein.

Er ontstaan dus twee grote pieken van gas én donkere materie, eentje in het centrum van de verstoringen, eentje op 150 Mpc afstand van het centrum. Je zou denken dat die pieken in de dichtheden van het gas/donkere materie, welke later zullen uitgroeien tot het kosmische web van clusters van sterrenstelsels, betekent dat er veel sterrenstelsels zijn binnen een straal van 10-20 Mpc, dat er dan vervolgens een grote leegte is en dat er vervolgens weer een grote hoeveelheid sterrenstelsels is op 150 Mpc afstand. Ja, als er in het vroege heelal één lokale verstoring zou zijn dan zou dat inderdaad het geval zijn. Maar er traden overal van die verstoringen op en die liepen allemaal door elkaar heen. Wat je wel hebt is dat er bij 150 Mpc (500 miljoen lichtjaar) afstand van de centra van de verstoringen een zwakke piek ligt, eentje die minder dan 1% is van de dichtheid van de centra. Die zwakke piek is de BAO, welke door onderzoeken zoals eBOSS in details is waargenomen.

Ter afsluiting: het oorspronkelijke vakartikel, waarin het proces van de vorming van de BAO’s wordt beschreven stamt uit 2007: On the Robustness of the Acoustic Scale in the Low-Redshift Clustering of Matter van Daniel J. Eisenstein, Hee-Jong Seo en Martin White.

Bron: Astrobites.

Nog even wat nababbelen over de resultaten van het Muon g-2 experiment

Credit: FNAL

Gisteren eind van de middag kregen we vanuit de VS de resultaten door van de eerste run van Fermilab’s Muon g-2 experiment, dat tot doel had (en heeft) om het magnetische moment van het muon te meten. De hoop was dat de experimenten de eerder door Brookhaven National Laboraties (BNL) gemeten anomalie zou bevestigen en wel met een nog hogere betrouwbaarheid. Dát is op zich inderdaad gebeurd, de metingen van BNL en Fermilab (FNAL) samen geven a=(g -2)/2=0,00116592061 (41), waarbij de statistische betrouwbaarheid omhoog ging van 3,7σ naar 4,2σ, d.w.z. dat de kans dat het resultaat statistische ruis is bedraagt 1 op 40.000. Nog altijd minder dan de magische vijf σ (kans 1 op 3,5 miljoen), maar toch goed op weg. Díe uitkomst zou op zich reden genoeg zijn om een feesje te geven, ware het niet dat er dezelfde dag – woensdag 7 april anno 2021 – óók nieuws was uit het andere kamp, het theoretische kamp. Zondag schetste ik in mijn blog nog de waarde volgens Standaard Model van a=0,00116591810 (43), het vigerende model dat de fysici sinds de jaren zeventig hanteren als hét model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen. Maar wat bleek gisteren: een groep theoretisch natuurkundigen die de BMW Lattice Collaboration heet kwam met nieuwe berekeningen [1]Over de timing van de publicatie om het dezelfde dag te publiceren als de presentatie van Muon g-2 zei blogger Jester zojuist: “The lattice paper first appeared a year ago but only yesterday … Continue reading van de waarde van het magnetisch moment van het muon volgens SM, waarvan de resultaten in Nature verschenen. Probleem bij die berekeningen is dat het erg moeilijk is om van de wolk van virtuele deeltjes om een muon exact te bepalen welk soort deeltje welke bijdrage levert aan de afwijking van het magnetische moment. Elementaire deeltjes worden beschreven door Quantum Elektrodynamica (QED) en Quantum Chromodynamica (QCD) en het is met name voor die laatste lastig te bepalen welk aandeel de hadronen (alle deeltjes die uit quarks bestaan) hebben in de anomalie van het magnetische moment van het muon.

Wat zegt nu de BMW-groep: a=0,00116591954(55), geen 4,2σ, maar slechts 1,6σ verwijderd van de experimentele waarde van BNL en Fermilab! En daarmee zagen we gisteren best wel iets bijzonders: overeenstemming in het experimentele kamp, waarbij de eerder gemeten anomalie uit 2001 en 2006 bevestigd werd, maar ‘gedoe’ in het theoretische kamp, waarbij de eerdere SM-waarde nu gecorrigeerd wordt. Afijn, dit zal vast nog wel vervolgd worden. Sowieso krijgen we komende jaren nog nieuws uit het experimentele kamp, want van het Muon g-2 experiment is bij run 1 nog maar 6% geanalyseerd van de gegevens die ze bij het gehele experiment willen verzamelen – de analyse van run 2 is gaande en run 3 volgt nog. En vanuit dat theoretische kamp zal het laatste nog niet gezegd zijn over de waarde van de anomalie van het magnetische moment van het muon. Voor de liefhebbers hieronder nog de video met de integrale presentatie van de resultaten van Muon g-2, welke gisteren via Zoom was te volgen, daaronder twee van de vier vakartikelen over de resultaten (als ik de andere twee ook heb zal ik die er bij zetten).

Vakartikelen resultaten FNAL Muon g-2 experiment

B. Abi et al, Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
T. Albahri et al. Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g?2 Experiment at Fermilab, Physical Review A (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.103.042208

Tenslotte nog deze schitterende tweet van blogger Jester:

References[+]

References
1 Over de timing van de publicatie om het dezelfde dag te publiceren als de presentatie van Muon g-2 zei blogger Jester zojuist: “The lattice paper first appeared a year ago but only yesterday was published in Nature in a well-timed move that can be compared to an ex crashing a wedding party.” 😀