NASA’s Nancy Grace Roman ruimtetelescoop bereikt belangrijke bouwtechnische mijlpalen

NASA heeft recent onthuld dat alle ontwerp- en ontwikkelingstechnische werkzaamheden aan de Roman Space Telescope (RST), voorheen de WFIRST, zijn voltooid.  Deze ruimtetelescoop moet astronomen meer inzicht gaan geven in de aard van donkere energie en ook op zoek gaan naar exoplaneten, en zogenoemde ‘weesplaneten’ Aan de telescoop wordt gewerkt door NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, NASA JPL en Caltech. In deze perspublicatie van NASA zegt Julie McEnergy, senior projectwetenschapper bij de Roman Space Telescope het volgende over de vorderingen: “Na het bekijken van onze uitgebreide hardwaretesten en geavanceerde modellering, heeft een onafhankelijk beoordelingspanel bevestigd dat het observatorium dat we hebben ontworpen zal werken.” Nu de basis is gelegd, is het team enthousiast om door te gaan met het bouwen en testen van het observatorium. Jackie Townsend, plaatsvervangend projectmanager voegde toe: “Nu deze beoordeling is voltooid, gaan we de spannende fase in waarin we de vluchthardware die we van plan zijn te gaan gebruiken gaan assembleren en testen.” En vervolgt: “Als al onze vluchthardware klaar is in 2024, houden we het ‘System Integration Review’ en integreren we het gehele observatorium. Ten slotte zullen we de telescoop testen in omgevingen die de lancering en geplande baan simuleren om er zeker van te zijn dat de RST werkt zoals ontworpen.” De missie is gepland om uiterlijk in mei 2027 te lanceren.
Bovenstaande foto toont de  opstelling voor het testen van de ruimteomgeving van de technische ontwikkelingseenheid voor Roman’s Solar Array Sun Shield, die twee doelen zal dienen. Ten eerste zal het elektrische stroom leveren aan het observatorium. Ten tweede zal het de Optical Telescope Assembly, het WFI  en de CGI instrumenten beschermen tegen zonlicht. Credits: NASA/Chris Gunn
De ruimtetelescoop werd in 2010 aanbevolen door het National Research Council van de VS als topprioriteit voor astronomisch onderzoek van het volgende decennium. Werkzaamheden startten in 2011. In 2016 werd de WFIRST goedgekeurd voor ontwikkeling en lancering. De telescoop bezit een 2,4 brede spiegel die stellair licht reflecteert naar beeldsensoren voor verwerking en draagt twee wetenschappelijke instrumenten bij zich. Het Wide-Field Instrument (WFI), dit is een nabij-infraroodcamera, die een beeldscherpte biedt die vergelijkbaar is met die van de Hubble over een gezichtsveld van 0,28 vierkante graden, 100 keer groter dan de beeldcamera’s van de HST. Het Coronagraphic Instrument (CGI) is een camera en spectrometer, met een hoog contrast en een klein gezichtsveld die zichtbare en nabij-infrarode golflengten bestrijkt m.b.v. nieuwe technologie voor het onderdrukken van sterrenlicht. De RST’s primaire missie is gericht op de expansiegeschiedenis van het heelal en de groei van de kosmische structuur met meerdere methoden in overlappende roodverschuivingsbereiken, met als doel het nauwkeurig meten van de effecten van donkere energie. Op 20 mei 2020 kondigde NASA-hoofd Jim Bridenstine aan dat de missie de Nancy Grace Roman Space Telescope zou worden genoemd als erkenning voor de fundamentele rol van Nancy Roman als Chief of Astronomy op het gebied van astronomieonderzoek vanuit de ruimte. De telescoop gaat ook op zoek naar exoplaneten en hun potentieel voor het ondersteunen van leven.

Nancy Roman (1925 – 2018), Goddard Space Flight Center Credits; NASA

Nancy Roman werd geboren in Nashville, Tennessee op 16 mei 1925. Als kind voelde ze zich aangetrokken tot de sterren. Roman vertelde ooit in een korte NASA-documentaire. ‘Ik gaf mijn moeder de schuld omdat ze me altijd mee uit nam en me de sterrenbeelden liet zien en me het noorderlicht liet zien en dat soort dingen.” Roman behaalde een Bachelor of Science in de astronomie aan Swarthmore College en een doctoraat aan de Universiteit van Chicago. In 1955 besloot ze een baan aan te nemen bij het US Naval Research Laboratory, en in 1959 werd ze een van de eerste groep arbeiders die zich bij NASA voegde, als hoofd astronomie en relativiteit bij het Office of Space Science, slechts zes maanden nadat het bureau was opgericht. Bij NASA drong Roman aan op de ontwikkeling van een orbitale telescoop om kosmische straling in de ruimte te meten die anders onmogelijk op aarde te detecteren zou zijn vanwege atmosferische interferentie. Ze heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van vier in een baan om de aarde draaiende astronomische observatoria tussen 1966 en 1972, en hielp bij het opzetten van de International Ultraviolet Explorer, een gezamenlijk NASA/ESA project. Roman speelde ook een centrale rol bij het overtuigen van het congres om de ontwikkeling van de Hubble-telescoop ter waarde van $ 36 miljoen te financieren. In 1998 beschreef Hubble’s hoofdwetenschapper Ed Weiler haar als ‘de moeder van de Hubble-ruimtetelescoop’. Ze stierf op 25 december 2018 een natuurlijke dood – op 93-jarige leeftijd.  Bron: NASA

Einstein Telescope uitgelegd in nieuwe online afleveringen van Discovery Museum

Frans Pollux en Gideon Koekoek in gesprek in de nieuwe serie over de Einstein Telescope. Credit: Discovery Museum.

In samenwerking met dr. Gideon Koekoek van Maastricht University is Discovery Museum gestart met een informatieve reeks online uitzendingen over de Einstein Telescope. Presentator Frans Pollux ontdekt samen met de kijker steeds meer over dit meetapparaat, dat wellicht gebouwd gaat worden in de Euregio Maas-Rijn. De eerste van drie afleveringen is nu online te bekijken. De eerste aflevering beleefde afgelopen weekend haar première voor deelnemers aan het Weekend van de Wetenschap (en is nu online te bekijken), aflevering 2 en 3 volgen dit najaar: Discovery Museum te Kerkrade start met een informatieve online reeks over de Einstein Telescope. Dat dit state-of-the-art meetapparaat wellicht gebouwd gaat worden in de grensregio Nederland, België en Duitsland is veel mensen wel bekend, maar wát het nu precies meet en waaróm dat zo opzienbarend is, dat zal velen niet zo duidelijk zijn. In samenwerking met dr. Gideon Koekoek, assistant professor of physics aan Maastricht University, geeft Discovery Museum daarom op een laagdrempelige manier meer uitleg over zwaartekracht(sgolven) en de Einstein Telescope. Presentator Frans Pollux start bij de basis en vraagt Gideon Koekoek in aflevering 1 de hemd van het lijf over zwaartekracht. Manon, explainer bij Discovery Museum, brengt de theorie tot leven met illustratieve experimenten. In de twee volgende afleveringen duiken we steeds verder de materie in. Kijkers kunnen hun vragen over de Einstein Telescope ook stellen via mail: einstein@discoverymuseum.nl. Gideon Koekoek probeert de ingezonden vragen in de opvolgende afleveringen zoveel mogelijk te beantwoorden. De eerste aflevering is vanaf vandaag te bekijken via de website van Discovery Museum: discoverymuseum.nl.

Explainer Manon van Discovery Museum illustreert met een proefje de werking van zwaartekracht in de nieuwe serie over de Einstein Telescope. Credit: Discovery Museum

Met de Einstein Telescope bouwen Europese wetenschappers de nauwkeurigste detector voor zwaartekrachtsgolven ooit. In de lengte van kilometerslange detectorgangen op circa 200-300 meter diep willen wetenschappers signalen opvangen van vlak na de oerknal en onderzoek doen naar de aard van zwarte gaten. De Einstein Telescope is ontworpen om minstens tien maal nauwkeuriger te meten dan de huidige detectoren ooit kunnen halen, wat het mogelijk maakt een duizend keer groter volume van het heelal af te speuren op zoek naar zwaartekrachtsgolven. Een testfaciliteit voor de Einstein Telescope wordt nu gebouwd in Maastricht.

Gideon Koekoek geeft als assistant professor of physics aan Maastricht University colleges over theoretische natuurkunde en doet daarnaast onderzoek naar zwaartekrachtsgolven en de detectie daarvan. Hij doet dit in nauwe samenwerking met o.a. Nikhef, het nationaal instituut voor subatomaire fysica, dat net als Discovery Museum partner is in het Dutch Black Hole Consortium. Dit interdisciplinaire gezelschap, waarvan de aftrap onlangs in Discovery Museum plaatsvond, werkt samen aan een beter begrip van zwarte gaten en ontwikkelt daartoe betere modellen en gevoeliger meetapparatuur, waaronder voor de Einstein Telescope.

De mogelijke komst van de Einstein Telescope naar de Euregio Maas-Rijn en de wetenschappelijke doorbraken waar de Telescope voor kan zorgen als hij er eenmaal is, zijn voor Discovery Museum reden aandacht te besteden aan de Einstein Telescope en de ingewikkelde materie met laagdrempelige programma’s dichterbij de inwoners van de regio te brengen. De driedelige online reeks gepresenteerd door Frans Pollux is hier onderdeel van. In de toekomst wordt ook aanbod ontwikkeld dat bezoekers aan het museum meer laat ontdekken over de Einstein Telescope.

Microlenzen gezien door Kepler-K2 wijzen op populatie van vrij rondzwervende planeten

Impressie van een vrij rondzwervende planeet in de Melkweg. Credit
A. Stelter / Wikimedia Commons

Sterrenkundigen van de Universiteit van Manchester hebben bewijs gevonden voor het bestaan van een populatie van vrij rondzwervende planeten, dat zijn planeten die vrij bewegen in de Melkweg zonder dat er een ster in hun buurt is (Engels: ‘free floating planets’, soms ook wel ‘rogue planets’ genoemd). Iain McDonald en z’n team maakten voor hun onderzoek gebruik van gegevens die in 2016 werden verzameld door de Kepler ruimtetelescoop van de NASA, die toen aan z’n tweede missie bezig was, de K2 missie genaamd. Gedurende twee maanden werd toen door Kepler ieder half uur gekeken naar miljoenen sterren die in de richting staan van het Melkwegcentrum, het dichtst bevolkte gebied in de Melkweg van sterren. Dat deed men om zwaartekracht-microlenzen op te sporen: als er een planeet gezien vanaf de aarde gedurende korte periode precies voor één van die vele sterren langsschuift dan veroorzaakt de massa van de planeet een afbuiging van de ruimte en dat zorgt voor kromming van het pad van het licht van de erachter liggende ster én versterking van de lichtkracht, zoals op de afbeelding hieronder geschetst. Die zwaartekrachtlenzen werden meer dan honderd jaar geleden voor het eerst voorspeld door Albert Einstein op grond van zijn Algemene Relativiteitstheorie.

Credit: NASA

In totaal werden 27 microlenzen gevonden in de door Kepler verzamelde gegevens, met een duur tussen 1 uur en 10 dagen. Er zaten vier gevallen tussen met korte duur, die wijzen op planeten ter grootte van de aarde, die de microlens veroorzaakten. Zouden de planeten om een ster draaien, dan zou die ster zich ook verraden door een afbuiging van het sterlicht, maar die extra afbuiging werd niet gevonden. Vandaar dat men denkt gestuit te zijn op een populatie van vrij rondzwervende planeten in het Melkwegstelsel. Ze zullen vroeger wel bij een ster behoort hebben, maar zijn daar door zwaartekrachtwerking door de ster of andere planeten weggeslingerd. Kepler was feitelijk niet ontworpen en gebouwd om microlens-gebeurtenissen waar te nemen. Vandaar dat men allerlei nieuwe technieken moest hanteren om in de gegevens van Kepler-K2 daadwerkelijke signalen van microlenzen te scheiden van ruis. Dat was alsof men met een mobiele telefoon op een snelweg ’s avonds met alle rondrijdende verkeer een vuurvliegje wilde waarnemen, aldus waarneemleider McDonald.

Hier het vakartikel, dat zal verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Royal Astronomical Society.

Van inbraakalarm tot zwarte gaten detector

Vorig jaar beschreef RUG-natuurkundige Anupam Mazumdar samen met collega’s uit het Verenigd Koninkrijk een experiment dat zou kunnen aantonen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Dit experiment bestaat uit twee relatief grote verstrengelde kwantumsystemen in vrije val. In een nieuw artikel dat op 4 juni is gepubliceerd in Physical Review Research beschrijven de onderzoekers hoe twee soorten ruis in het experiment zijn te verminderen. Ze laten ook zien dat kwantum interferentie te gebruiken is om een gevoelig instrument te bouwen dat de beweging van objecten van vlinders via inbrekers tot zwarte gaten kan detecteren.

Anupam Mazumdar. Credit: RUG.

Is zwaartekracht een kwantumfenomeen? Dat is een van de grote open vragen in de natuurkunde. Vorig jaar heeft Anupam Mazumdar, hoogleraar Theoretische Natuurkunde aan de RUG, samen met collega’s een experiment bedacht dat deze vraag kan beantwoorden. Centraal daarin staat een piepkleine diamant, slechts een paar nanometer groot, waarin een van de koolstofatomen is vervangen door stikstof. Volgens de kwantumtheorie kan een extra elektron in dit atoom de energie van een foton uit een laser wel of niet absorberen.

Diamant

Absorptie van de energie zou de spin van het elektron, een magnetisch moment dat de waarden ‘op’ en ‘neer’ kan hebben, veranderen. ‘Net als de beroemde kat van Schrödinger, die tegelijk dood en levend is, heeft het elektron de energie van het foton wel en niet geabsorbeerd, waardoor de spin zowel op als neer is’, legt Mazumdar uit. Dit zorgt voor een zogeheten superpositie van de diamant. Met behulp van een magnetisch veld is het mogelijk deze twee kwantumtoestanden te scheiden. Wanneer ze weer bij elkaar worden gebracht door het magneetveld uit te schakelen zal er een interferentiepatroon ontstaan.

De diamant is klein genoeg om in superpositie te zijn, maar groot genoeg om de invloed van de zwaartekracht te voelen. Wanneer twee van deze diamanten naast elkaar worden geplaatst in vrije val verloopt de enige invloed die ze op elkaar hebben via de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen Het experiment is ontwikkeld om te testen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Simpel gezegd: aangezien verstrengeling een kwantumfenomeen is, zou de verstrengeling van twee objecten die alleen een interactie via zwaartekracht hebben bewijzen dat de zwaartekracht inderdaad een kwantumfenomeen is.

Botsing

Maar elke bewegende massa zal een effect hebben op dit zeer gevoelige kwantumsysteem. In de nieuwe publicatie beschrijven Mazumdar en collega’s hoe die verstoringen zijn te minimaliseren. En ze laten zien dat het systeem ook te gebruiken is als sensor voor bewegende massa’s. De eerste bron van ruis in het experiment is de botsing van gas met de capsule die het experiment bevat tijdens de vrije val. Zelfs een botsing met fotonen kan een verstoring veroorzaken. ‘Onze berekeningen laten zien dat deze effecten zijn terug te dringen door de capsule in een tweede, grotere capsule te plaatsen, met een gecontroleerd milieu’, legt Mazumdar uit. De ruis is miminaal wanneer in die tweede container de druk 10-6 Pascal is, zelfs bij kamertemperatuur. In de capsule met het experiment zijn extremere condities nodig. De onderzoekers schatten dat de druk daar 10-15 Pascal moet zijn, bij een temperatuur van ongeveer 1 Kelvin. Dat is met de huidige stand van de techniek niet haalbaar, maar Mazumdar denkt dat het binnen twintig jaar wel mogelijk moet zijn.

Schema van het experiment. Een stroom deeltjes wordt gesplitst (onder) in twee stromen, en vervolgens gerecombineerd zodat een interferentiepatroon ontstaat (boven). | Illustratie Anupam Mazumdar

Ruimtepuin

Bewegende objecten in de buurt van het experiment, zelfs zo klein als een vlinder, vormen een tweede bron van ruis. Berekeningen laten zien dat deze ruis is te minimaliseren door dit soort objecten weg te houden van het experiment. Mensen moeten minimaal twee meter afstand houden, voor auto’s is dat tien meter. Vliegtuigen mogen niet dichter dan zestig meter van het experiment komen. Dat lijkt allemaal vrij eenvoudig uit te voeren.

Wanneer het experiment eenmaal werkt is er nog meer mee te doen dan het onderzoeken van de vraag of zwaartekracht een kwantumfenomeen is, stelt Mazumdar. ‘Je kunt het in een ruimteschip plaatsen, waar het voortdurend in vrije val is. Dan kun je er ruimtepuin mee zien aankomen. Door verschillende systemen tegelijk te gebruiken is het zelfs mogelijk de baan van dat puin te berekenen.’ Een andere optie is om zo’n meetsysteem in de Kuipergordel te plaatsen, waar het de beweging van ons zonnestelsel door de ruimte kan meten. ‘En het zou zwarte gaten in de buurt van het zonnestelsel kunnen vinden.’

Op aarde zou het kwantumsysteem in staat zijn om tektonische verschuivingen in de bodem te meten en zo misschien aardbevingen te zien aankomen. En aangezien het systeem gevoelig is voor iedere vorm van beweging in de buurt ervan, zou het een ideale – wel wat complexe – bewegingssensor voor een inbraakalarm zijn. Maar de komende decennia ligt de focus van Mazumdar en zijn collega’s op het onderzoeken van de vraag of zwaartekracht een kwantumfenomeen is.

Vakartikel

Marko Toroš, Thomas W. van de Kamp, Ryan J. Marshman, M. S. Kim, Anupam Mazumdar, and Sougato Bose: Relative acceleration noise mitigation for nanocrystal matter-wave interferometry: Applications to entangling masses via quantum gravity. Phys. Rev. Research, 4 juni 2021

Bron: Rijksuniversiteit van Groningen.

Astrofysici starten discussie over naamgeving voor een verzameling van zwarte gaten

Hoe moet een groep zwarte gaten genoemd worden? Medio april organiseerde NASA voor het eerst in twee jaar weer de ‘Black Hole Week’. Er werd onder meer gediscusseerd over de naamgeving voor een groep zwarte gaten. Jocelyn Kelly Holley-Bockelmann, astrofysicus aan de Vanderbilt University nam daarop het initiatief om in het kader van deze vraag een crowdsourcing actie te starten via Twitter. Holley-Bockelman heeft zelf o.a. meegewerkt aan de LISA, de Laser Interferometer Space Antenna, voor detectie van botsingen tussen zwarte gaten. Holley-Bockelmann stelt in een interview met de NYT dat de vraag hoe een groep zwarte gaten genoemd moet worden, opgeworpen werd tijdens een van de zoomsessies in de Black Hole week. De sessie verliep vervolgens chaotisch, zo stelt ze, want iedere astrofysicus had wel een idee voor een naam, het ene voorstel nog fraaier dan de andere. En zo kwam er een stroom namen op gang, een greep hieruit, onvertaald is; ‘Maelstrom’, ‘Scream’, ‘Asterisk’ en ‘Enigma’. Holley-Bockelmann zou zelf graag zien dat er een naam komt voor een groep van zwarte gaten voordat met LISA de ‘grote jacht’ hierop geopend wordt, (LISA zal de zogeheten primordiale zwarte gaten gaan detecteren). Ze stelt: “De Internationale Astronomische Unie, die regels stelt voor de kosmische nomenclatuur heeft geen regels voor ‘collectieven’. dus het is aan de mensen om te beslissen. Haar persoonlijke voorkeur gaat naar ‘Disaster’, aangezien het woord ‘disaster’ (Ned. ‘catastrofe’) is geworteld in het Latijnse ‘astro’ (Ned. ster) – en in het Italiaanse woord ‘dis-astro’ (vert. Eng. ‘starry evil’ en in het Italiaans kan ‘dis-‘ een negatieve connotatie geven bv. ‘disgrazio = schande’).
Lees verder

Duitse astrofysicus bedenkt warp aandrijving verankerd in conventionele fysica

Het FTL of ‘Faster Than Light’-transport heeft bij ruimtevaart enthousiastelingen immer tot de verbeelding gesproken. FTLT omvat enkele concepten zoals de ‘warp drive’ die superluminale ruimteschepen in staat zou stellen de ultralange afstanden tussen de sterren in een voor ons mensen praktisch tijdsbestek te realiseren. Men zou dan bv onze buurster Proxima Centauri in 4 jaar kunnen bereiken i.p.v. 50.000 jaar met conventionele raketaandrijving. Vooralsnog komt FTL-reizen slechts op papier en film in scifi-plots tot leven, daar superluminaal reizen noodzaakt tot het toepassen van nogal onconventionele fysica. Met de huidige stand van fysisch-technologische zaken, zou FTL-transport het gebruik van kolossale hoeveelheden hypothetische deeltjes vereisen die ‘exotische’ fysische eigenschappen hebben, zoals een negatieve energiedichtheid, materie die nu niet voor handen is of niet in haalbare hoeveelheden worden vervaardigd. Recent heeft de Duitse astrofysicus Erik Lentz, verbonden aan de Universiteit van Göttingen, een nieuw warp drive-concept bedacht dat FTL-transport mogeljk een stapje verder weg van de tekentafel en dichterbij concretisering brengt, en wel gebaseerd is op conventionele fysica. Het onderzoek van Lentz is gepubliceerd in het tijdschrift Classical and Quantum Gravity. Lees verder

Nieuwe resultaten LHCb experiment wijzen mogelijk op Nieuwe Fysica!

Impressie van het verval van een b-quark in de LHCb detector. Credit: Imperial College London

Deze week gepubliceerde resultaten van het LHCb experiment van de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève, laten zien dat er een grote kans is dat het Standaard Model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen niet volledig is. Met andere woorden: er is sprake van aanwijzingen voor nieuwe deeltjes of natuurkrachten die we nog helemaal niet kennen. Bij het LHCb experiment wordt met name gekeken naar bottum quarks, één van de zes soorten van quarks, de bouwstenen van protonen, neutronen en mesonen (vroeger werden ze beauty quarks genoemd). Als b-quarks in de LHC in de zogeheten B-mesonen worden geproduceerd zouden ze in elektronen en de zwaardere variant daarvan, de muonen, moeten vervallen en hoe vaak dat precies gebeurt voorspelt het genoemde Standaard Model (SM) . Maar nou komt het: de met LHCb gemeten waarden van het verval van de B-mesonen wijkt af van de SM voorspellingen. Natuurkundigen van Imperial College London hebben de gegevens van LHCb bekeken en de resultaten van die analyse hebben ze hier gepubliceerd én besproken op de Moriond Electroweak Physics conference. Het blijkt dat met een betrouwbaarheid van 3,1 sigma de resultaten wijzen op het bestaan van Nieuwe Natuurkunde, dat wil zeggen dat de kans 1 op 1000 is dat het resultaat statistische ruis is, rijp voor de prullenbak. Dat lijkt veel, maar natuurkundigen hanteren streng als ze zijn een grens van 5 sigma, dat wil zeggen dat de kans op ruis slechts 1 op 3,5 miljoen mag zijn. Pas dan spreken ze van echt bewijs. Nog even geduld dus voor dat bewijs.

Het LHCb experiment. Credit: LHCb Collaboration.

Als er echt sprake is van Nieuwe Natuurkunde zou dat kunnen betekenen dat er exotische deeltjes bestaan zoals Z’ (spreek uit Z prime) bosonen en leptoquarks – we hadden het er in 2017 al over. Met de Belle II detector in Japan hopen ze de LHCb resultaten komende tijd te kunnen bevestigen. Hier het vakartikel over de resultaten van LHCb, verschenen op de Arxiv. Bron: Phys.org.

Russische neutrino-detector geïnstalleerd in het Baikal-meer

Op 12 maart j.l. is in Rusland de nieuwe Baikal-neutrinotelescoop te water gelaten in het gelijknamige meer. De Baikal Gigaton-volumedetector of Baikal-GVD, zoals zijn volledige naam luidt, is net als IceCube, een gigantisch neutrino-observatorium. Neutrino’s zijn erg moeilijk te detecteren en water is hiervoor een effectief medium. Het drijvende observatorium bestaat uit strengen waaraan bolvormig glas en roestvrijstalen modules zijn bevestigd. Lees verder

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.

Extreme zwarte gaten hebben toch haar dat gekamd kan worden

Impressie van een zwart gat met accretieschijf en straalstroom. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Decennia was de gedachte bij sterrenkundigen dat zwarte gaten geen haar hebben, zoals dat in navolging van John Wheeler werd gezegd. In wezen zijn zwarte gaten zeer eenvoudige objecten: voor een oplossing van Einsteins veldvergelijking uit de Algemene Relativiteitstheorie voor zwarte gaten heb je maar drie dingen nodig, z’n massa, spin en lading. Meer eigenschappen heeft een zwart gat niet. Zwarte gaten met dezelfde massa, spin en lading zijn exact identiek, aldus het no-hair-theorema, zoals het wordt genoemd. Maar nu blijkt dat een aparte klasse van zwarte gaten toch haar heeft, dat wil zeggen dat ze naast massa, spin en lading nog een vierde eigenschap hebben. Het gaat om ‘extreme zwarte gaten’, dat zijn zwarte gaten die verzadigd zijn met de maximale spin en lading die theoretisch mogelijk is. Die blijken ‘gravitationeel haar’ te hebben, zoals Lior Burko (Theiss Research) en z’n collega’s het noemen. Het is een eigenschap die samenhangt met de kromming van de ruimtetijd net buiten de waarnemingshorizon van het extreme zwarte gat, een eigenschap die door een waarnemer verder weg meetbaar is. Omdat gravitationeel haar terug te leiden is naar de wijze waarop het zwarte gat ontstaan is en niet naar de eigenschappen massa, spin en lading, wordt de uniekheid van het zwarte gat geschonden en daarmee het no-hair theorema. Men zegt dat extreme zwarte gaten daarom toch haar hebben, dat te meten is. Het lijkt erop dat gravitationeel haar in theorie meetbaar is met zwaartekrachtdetectoren als LIGO en Virgo en in de toekomst LISA. Hier is het vakartikel over het onderzoek aan zwarte gaten met kambaar haar, verschenen in Physical Review. Bron: Eurekalert.