Boekbespreking: Tussen twee oneindigheden

Van Gianfranco Bertone [1]Hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam en directeur van het European Consortium for Astroparticle Theory is deze week z’n tweede populairwetenschappelijke boek verschenen: Tussen twee oneindigheden – de aanstaande revolutie in ons begrip van de kosmos. In zijn boek, dat 184 pagina’s telt, neemt Bertone ons in een boeiende reis mee naar die twee uitersten in het heelal, naar het oneindig grote en naar het oneindig kleine. Om die reis te kunnen maken hoef je geen uitgebreide kennis te hebben van sterrenkunde of natuurkunde, want zonder gebruik te maken van technische details of wiskundige formules gidst Bertone ons heen en weer tussen de twee uitersten in het heelal. Hij doet dat zoals Dante Alighieri dat in de dertiende eeuw deed, met een reis naar steeds groter wordende ‘hemelen’ zoals in Dante’s ‘Paradijs’, én een reis naar de steeds kleiner wordende ‘kringen’, zoals in diens ‘Hel’. De theoretische kaders voor die reizen zijn in de twintigste eeuw al opgesteld: Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie voor het grote, de kwantumfysica voor het kleine. De wetenschappelijke methode vereist dat theorieën altijd gestaafd moeten worden met de waarnemingen en daarin zijn de laatste jaren veel vorderingen geboekt.

Impressie van botsende neutronensterren, die zwaartekrachtgolven genereren. Credit: University of Warwick/Mark Garlick.

Eeuwenlang keek de mens verwonderend naar boven en zag daar de zon, maan en sterren met alleen zijn gezichtsvermogen. Vanaf Galileï begin 17e eeuw zijn we de telescoop gaan gebruiken om die visuele waarnemingen te versterken en afgelopen honderd jaar zijn daar uitbreidingen op gekomen om ook de andere delen van het elektromagnetisch spectrum te ‘zien’, van de radiostraling tot aan de gammastraling. Maar ook dat is uitgebreid en wel door de zogeheten multimessenger-sterrenkunde, die sinds 2017 op gang is gekomen. Dat is de sterrenkunde die een combinatie is van waarnemingen in het EM-spectrum, aan de neutrino’s die vanuit de kosmos dwars door alles heen vliegen én van de zwaartekrachtgolven, rimpels in de ruimte, die veroorzaakt worden door extreme gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten of neutronensterren. Het theoretische raamwerk van de relativiteitstheorie en de kwantumfysica ziet Bertone als een kathedraal, maar duidelijk is dat die kosmologische kathedraal nog lang niet af is, dat ‘ie in de steigers staat en er nog veel werk te doen is om ‘m af te bouwen. De waarnemingen aan donkere materie, donkere energie en aan de oerknal in het verre en vroegste heelal (inclusief het probleem van de Hubble-spanning) maken duidelijk dat er nog veel zaken ontbreken in die kathedraal. Bertone is positief dat die multimessenger-sterrenkunde komende jaren veel kennis zal brengen over het mysterieuze donkere heelal. Hij schrijft helder over dat donkere heelal en schetst in optimistische taal hoe we mogelijk binnenkort al ‘de onthulling van enkele van de diepste en fascinerendste geheimen van de moderne wetenschap’ kunnen zien. Kortom: voor de geïnteresseerde leek aan aanrader om dit boek te lezen.

Tussen twee oneindigheden – Gianfranco Bertone, Uitgever New Scientist/Veen Media, € 24,99.

References[+]

References
1 Hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam en directeur van het European Consortium for Astroparticle Theory

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?

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.

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.

Kwantum zwaartekracht lijkt toch testbaar te zijn

Credit: Universiteit van Nottingham.

Het heelal kan op twee manieren goed beschreven worden: aan de ene kant is er de klassieke methode met Newton’s zwaartekrachttheorie en Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie, waarmee dingen met grote massa en omvang kunnen worden beschreven, van sterren en planeten via (clusters van) sterrenstelsels tot aan het heelal. Aan de andere kant is er de methode van de kwantummechanica, waarmee dingen met kleine massa en omvang kunnen worden beschreven, de wereld van elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen. In de klassieke wereld zijn de eigenschappen van objecten, zoals hun positie en beweging, absoluut. Aarde en maan staan gemiddeld 385.000 km van elkaar vandaan en toen 30 juli 2020 de Perseverance werd gelanceerd wisten ze al dat ‘ie op 18 februari 2021 om 21.55 uur na een reis van 471 miljoen km op Mars zou landen. In de kwantumwereld daarentegen zijn de dingen niet absoluut, maar waarschijnlijk. Van atomen weten we niet exact wat hun positie en beweging is, maar moeten we werken met berekeningen van waarschijnlijkheid.

Routekaart naar kwantum zwaartekracht. Credit: Wikipedia/ Raidr/B. Jankuloski.

Nou zijn er situaties waarbij de klassieke wereld en de kwantumwereld elkaar raken en dan heb je het probleem dat er niet een overlappende theorie is. Dat is bijvoorbeeld het geval als er heel veel massa in een heel klein volume zit, zoals bij zwarte gaten, of in het meest extreme geval, de oerknal, toen het hele heelal in een speldeknop zat. In dergelijke situaties schieten de huidige methodes tekort en zou je eigenlijk een theorie van de kwantum zwaartekracht moeten hebben. Maar die theorie is er nog niet. Nou ja, theorieën zijn er eigenlijk wel, alleen vallen ze experimenteel niet te testen en verifiëren, da’s het grote probleem. Maar nu is er recent een voorstel gedaan waarmee dat mogelijk welk kan worden gedaan! Sleutel tot een meetbare theorie van kwantum zwaartekracht is dat je een object moet hebben dat van zichzelf beschreven wordt door de kwantummechanica, maar dat zo zwaar is dat het de effecten van de klassieke zwaartekracht (van Newton en Einstein) voelt.

Een team van natuurkundigen onder leiding van Richard Howl (Universiteit van Nottingham) heeft een manier bedacht om een Einstein-Bose condensaat te krijgen, een supergekoeld gas waarin de atomen zich gedragen als één object in een bepaalde kwantumstaat, ook wel de vijfde staat genoemd waarin materie kan verkeren. Miljarden van dergelijke atomen hebben bij elkaar de massa van ongeveer een virus en da’s zwaar genoeg om zwaartekrachtseffecten van te meten. Het team zegt dat zo’n condensaat magnetisch gevangen moet worden, zodat het volledig vrij is en alleen de zwaartekracht invloed heeft. Als zwaartekracht op kwantumniveau zou werken dat zou volgens Howl’s team de vorm van het condensaat iets gaan afwijken van een ‘Gaussiaanse vorm’, als de zwaartekracht alleen klassiek zou inwerken dan zou het Gaussiaans blijven. De natuurkundigen denken dat het mogelijk moet zijn om met de hedendaagse technologie een experiment op te zetten dat op deze manier kwantum zwaartekracht kan meten. Hier is het vakartikel van Howl et al, verschenen op 17 februari in PRX Quantum 2. Bron: Koberlein + Phys.org.

De leeftijd van het heelal is 13,77 miljard jaar

Temperatuursvariaties in de CMB. Dit stuk van de hemel is 25° groot (50 keer de diameter van de maan), in werkelijkheid een gebied van 20 miljard lichtjaar breed. Credit: ACT Collaboration

Een team van sterrenkundigen heeft gebruikmakend van de Atacama Cosmology Telescope (ACT) in de Atacama woestijn in Chili de leeftijd van het heelal vast kunnen stellen op 13,77 miljard jaar, met een onzekerheid van 40 miljoen jaar. Deze waarde komt goed overeen met de schatting die eerder gegeven was met de Planck satelliet, die tussen 2009 en 2013 de kosmische microgolf-actergrondstraling (Engels: CMB) bestudeerde, de straling die resteert van 380.000 jaar na de oerknal. De sterrenkundigen, die onder leiding staan van Steve Choi (Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science) keken met ACT vanuit Chili ook naar de CMB, net zoals Planck dat eerder deed. Door naar het zogeheten powerspectrum van de minieme temperatuursvariaties in de CMB te kijken konden ze de leeftijd van het heelal bepalen. Daarbij kijkt men naar de hoekdiameter van de ‘blobjes’ in de CMB, die een fractie onder of boven de gemiddelde temperatuur van de CMB zitten, die 2,72548±0,00057 K bedraagt. Met ACT was het team van Choi ook in staat om de Hubble constante te meten. Die blijkt H0=67,6 kilometer per seconde per megaparsec te zijn, d.w.z. dat een sterrenstelsel dat 1 Mpc (=3,26 miljoen lichtjaar) van ons vandaan staat door de expansie van het heelal met 67,6 km/s van ons vandaan vliegt, op 2 Mpc afstand met 2 x 67,7 km/s, etc… Die waarde van H0 komt goed overeen met de waarde die Planck vond van 67,4 km/s/Mpc, maar hij staat mijlenver van de waarde van 74 km/s/Mpc, die sterrenkundigen hebben gevonden met behulp van indicatoren in het huidige heelal, de parallax, Cepheïden en type Ia supernovae – de welbekende Hubble spanning. Het lijkt er toch echt steeds meer op dat er iets ontbreekt aan het huidige kosmologische model van het heelal.

The Atacama Cosmology Telescope: a measurement of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 GHz,” Choi et al, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Arxiv-versie.

Bron: Cornell.

Babyheelallen van een multiversum als primordiale zwarte gaten?

Impressie van babyheelallen, die eruit zien als primordiale zwarte gaten. Credit: Kavli IPMU.

Het was een bizar jaar, dus laten we ‘m maar gelijk afsluiten met een bizarre theorie, zoals ik ‘m toch wel wil kenmerken. Een internationaal team van sterrenkundigen, waaronder Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada en Volodymyr Takhistov (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe), heeft recent gekeken naar de zogeheten primordiale zwarte gaten, dat zijn zwarte gaten die in theorie wellicht ontstaan zijn tijdens de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden. We kennen in het huidige heelal drie categorieën zwarte gaten, van astrofysische zwarte gaten van 8 tot enkele tientallen keer de massa van de zon, via intermediaire zwarte gaten van honderden tot duizenden keren de massa van de zon, tot superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels van miljoenen tot miljarden keren zo zwaar als de zon. In theorie is er nog die vierde categorie, de primordiale of oer-zwarte gaten, die in massa sterk kunnen variëren.

De Hyper Suprime-Cam (HSC) is een enorme digitale camera verbonden aan de Subaru Telescoop (Credit: HSC project / NAOJ)

In het vakartikel genaamd Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes (verschenen in the Physical Review Letters) komen Alexander Kusenko en z’n collega’s met de theorie dat er in de inflatieperiode tijdens de oerknal – toen het heelal in zeer korte tijd exponentiëel in omvang toenam – babyheelallen kunnen zijn ontstaan, die samen een multiversum heelal vormen. Kleine babyheelallen (of ‘dochterheelallen’) zouden na korte tijd weer in elkaar gestort zijn (via ‘gravitational collapse’). De energie die daarbij vrijkomt kan zorgen voor de productie van primordiale zwarte gaten. Grote babyheelallen zouden nog vreemder zijn. Bekeken van binnenuit of van buitenaf zouden ze er namelijk verschillend uitzien: van binnen bekeken zou zo’n groot babyheelal er als een expanderend heelal uitzien (zoals ons heelal er uit ziet), van buiten bekeken zou je… een primordiaal zwart gat zien.

Credit: Kavli IPMU/HSC Collaboration

De sterrenkundigen denken dat het met de Hyper Suprime-Cam (HSC), verbonden aan de 8,2m Subaru Telescoop op de top van de 4.200 meter hoge Mauna Kea op Hawaï, mogelijk moet zijn om primordiale zwarte gaten te detecteren. Zoals je hierboven geïllustreerd ziet willen ze met de HSC naar het Andromedastelsel (M31) kijken. Met die camera kunnen ze elke paar minuten het gehele stelsel in de gaten houden. Als tussen ons op aarde en één van de sterren van M31 een primordiaal zwart gat passeert zou dat te zien moeten zijn als een zwaartekrachtlens, waarbij het licht van de ster eventjes wordt versterkt. Zoiets is al eens waargenomen met de HSC en toen betrof het mogelijk een primordiaal zwart gat met ongeveer de massa van onze maan.

[Naschrift 30 december] Laat ik nou het belangrijkste van dit nieuwsbericht vergeten zijn: dat ze denken dat die primordiale zwarte gaten de donkere materie in het heelal vormen. Geen WIMPS, geen steriele neutrino’s, geen axino’s, maar PBH’s als donkere materie.

Bron: Kavli.

Kunnen witte dwergen helpen het kosmologische lithiumprobleem op te lossen?

Impressie van planetoïden die inslaan in een witte dwerg. Credit: NASA / JPL-Caltech.

Tijdens de oerknal waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond werden in de eerste drie minuten door oerknal-nucleosynthese de lichte elementen waterstof, helium, deuterium en lithium gevormd. Van de eerste drie elementen komt de theoretische berekende hoeveelheid (‘abundantie’) goed overeen met de waargenomen hoeveelheid. Alleen met lithium is er een probleem, met name lithium-7, dat volgens de meeste oerknal-modellen drie keer zoveel zou moeten zijn geproduceerd dan is waargenomen. Dat wordt het kosmologische lithiumprobleem genoemd. Het lastige van lithium is dat het moeilijk te detecteren valt in de atmosferen van sterren middels spectrografie. Maar recent is een team sterrenkundigen van de Universiteit van North Carolina erin geslaagd om lithium aan te treffen in de atmosfeer van een paar witte dwergen, compacte kleine sterren die in een vorige fase uit hun leven zonachtige sterren zijn geweest.

De SOAR telescoop (credit: UNC-Chapel Hill).

Voor hun onderzoek maakten ze gebruik van de Goodman-Spectrograaf verbonden aan de ‘Southern Astrophysical Research’ (SOAR) telescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatorium in Chili. Daarmee konden ze de atmosfeer van twee oude witte dwergen bestuderen, beiden zo’n negen mijard jaar oud (de zon is vijf miljard jaar oud). Het lithium dat ze in de atmosfeer vonden is volgens de sterrenkundigen ontstaan doordat grote lithiumrijke planetoïden massaal insloegen in de witte dwergen en zo diens lithium-abundantie vergrootten. Hier het vakartikel over het onderzoek aan lithium in de witte dwergen, verschenen in Science. Bron: UNC at Chapel Hill.

CERN-experiment geeft inzicht in waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is

In 1932 ontdekte Carl Anderson in de kosmische straling het deeltje genaamd positron. Het heeft dezelfde massa als het electron, maar een tegengestelde lading. Het was voor het eerst dat antimaterie werd ontdekt. Tijdens de oerknal zouden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten zijn ontstaan. Maar als materie en antimaterie tegen elkaar botsen dan annihileren ze tot licht (fotonen) en in de extreem dichte omstandigheden van de oerknal zou dat betekenen dat er alleen een heelal vol met licht overblijft. Maar zo’n heelal hebben we gelukkig niet, het heelal bestaat voor het allergrootste gedeelte uit materie en maar een fractie uit antimaterie (los van donkere materie en donkere energie).

Credit: CERN

Natuurkundigen denken dat tijdens de oerknal er iets meer materie dan antimaterie was – pakweg in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie – en na een grootschalig annihilatieproces bleef er alleen wat materie over [1]Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, … Continue reading. Dat is de reden dat het tegenwoordige heelal vrijwel geheel uit materie bestaat en dat er zo veel straling in het heelal is (straling afkomstig van de annihilaties, nu uitgedund tot de kosmische microgolf-achtergrondstraling, 411 fotonen per cm³). Grote vraag is welk proces dat kleine overschot van materie boven antimaterie veroorzaakte. Daar zijn ze al jaren mee bezig om te beantwoorden.

Credit: Maximilien Brice et al./CERN

Een recent experiment bij CERN in Genève heeft recent meer inzicht gegeven in dat proces. Bij het LHCb experiment (zie foto hierboven) werken ze met neutrale Bº mesonen, die ze in de Large Hadron Collider van CERN produceren door protonen tegen elkaar te laten botsen. Dat gebeurt in de LHCb detector, naast ATLAS, CMS en Alice één van de vier grote detectoren van de LHC. Die neutrale Bº mesonen bestaan uit een quark en een antiquark en ze leven héél kort, waarna ze vervallen in stabiele deeltjes, in dit geval pionen en kaonen. Gedurende hun korte levensduur kunnen ze oscilleren in neutrale anti-Bº mesonen en weer terug in gewone neutrale Bº mesonen, wel drie biljoen keer per seconde. De LHC produceert naast Bº mesonen ook anti-Bº mesonen, die dezelfde oscillatie ondergaan. Als je de geproduceerde hoeveelheid Bº mesonen en anti-Bº mesonen exact telt en daarna kijkt hoeveel er vervallen in stabiele deeltjes zouden de aantal hetzelfde moeten zijn. Maar dat is niet zo, er is een lichte asymmetrie, het aantal vervallen Bº mesonen is iets groter dan het aantal anti-Bº mesonen. Het theoretische kader voor de asymmetrie is al langer bekend, via het zogeheten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanisme, maar nu is ‘ie ook daadwerkelijk gemeten. Het CKM-mechanisme is niet genoeg om het volledige surplus van materie boven antimaterie tijdens de oerknal te verklaren, maar het geeft de natuurkundigen in ieder geval wel meer inzicht in de processen die hierbij spelen. Hier het vakartikel over de experimenten met de LHCb. Bron: The Conversation.

References[+]

References
1 Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, stof, planeten, wij hier op aarde, gevormd is uit de materie, die na de annihilatie overbleef.