Gas in grootschalige structuren in het heelal afgelopen acht miljard jaar drie keer zo heet geworden

Boven: de temperatuursontwikkeling in het heelal de afgelopen 11 miljard jaar, onder: de ontwikkeling van de grootschalige structuren in dezelfde periode. Credit: D. Nelson / Illustris Collaboration.

Sterrenkundigen hebben ontdekt dat het hete gas dat zich bevindt in de grootschalige structuren van het heelal – dat is het kosmische web van de (super-)clusters van sterrenstelsels – afgelopen acht miljard jaar maar liefst drie keer heter is geworden. De temperatuur van elektronen in dat gas was 8 miljard jaar geleden (roodverschuiving z=1) 700.000 K, nu (z=0) is dan maar liefst 2 miljoen K. Yi-Kuan Chiang (Ohio State University) en z’n team hebben dit ontdekt door te kijken naar de gegevens die verzameld zijn met de Planck satelliet en de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), de eerste keek naar de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), de tweede naar licht en spectra van sterrenstelsels. Door die gegevens te combineren kregen ze een indruk van de thermische druk rondom sterrenstelsels. Daarmee waren ze in staat om het zogeheten “Sunyaev-Zeldovich” (SZ) effect te meten, een effect dat voorspeld in 1972 werd door twee Russische sterrenkundigen,  Rashid Sunyaev en Yakov Zel’dovich.

Het SZ-effect. Credit: Argelander Institut für Astronomie.

Dat tweetal betoogde dat fotonen die van de CMB afkomstig zijn – welke zo’n 380.000 jaar na de oerknal ontstond op het moment dat het heelal door z’n expansie zo ver was afgekoeld dat de fotonen vrij konden bewegen – onderweg richting de aarde beïnvloed worden door de massa van de clusters van sterrenstelsels die ze passeren. Door de zogenaamde ‘omgekeerde Compton verstrooiing‘ zorgen de electronen in die clusters er voor dat de energie van de fotonen een tikkeltje verandert. De intensiteit van het SZ-effect is gekoppeld aan de thermische druk van het gas en die is weer gekoppeld aan de temperatuur van de elektronen. En zo kon men de temperatuur van de elektronen in de ‘Large Scale Structures’ (LSS) van afgelopen 8 miljard jaar meten – hieronder de grafiek met de resultaten.

Credit: Chiang, Makiya, Ménard and Komatsu, Astrophysical Journal, 902, 56 (2020).

Hier het vakartikel over het onderzoek aan de temperatuur van het hete gas, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: Kavli Instituut/IPMU.

Nieuwe manier om donkere materie te detecteren: met elektronen

De Bullet cluster, een verzamelplek van donkere materie (met roze aangegeven). Credit: Chandra X-Ray Observatory, NASA/CXC/M. Weiss/Wikimedia Commons

Onderzoekers van Chalmers University of Technology en EHT Zürich in Zwitserland hebben een nieuwe manier bedacht om donkere materie te detecteren, het onzichtbare goedje in het heelal, waarvan er vijf keer zo veel is als gewone materie. Wereldwijd proberen diverse teams met experimenten deeltjes donkere materie te detecteren en allemaal maken ze gebruik van zware atoomkernen, waarvan ze hopen dat de deeltjes donkere materie daarmee via een ‘recoil’ reageren en dat er dan een signaal te zien is. Maar tot nu toe allemaal zonder succes (behoudens een mogelijke detectie met Xenon1T). De Chalmers/EHT onderzoekers zeggen dat deze methodes niet succesvol zijn, omdat de protonen en neutronen in de atoomkernen veel te zwaar zijn. Het is alsof je een pingpongbal op een bowlingbal schiet en dan verwacht dat ‘ie wegrolt. Daarom stellen zij voor om lichte deeltjes als doel te gebruiken, elektronen (Zie voorstelling hieronder).

Voorstelling van een interactie tussen WIMP’s – deeltjes donkere materie – en een atoomkern. Credit: CDMS.

Dat doen ze in dit vakartikel, verschenen in Physical Review, waarin ze beschrijven hoe zo’n experiment eruit zou moeten zien. Op maar liefst vier manieren zouden elektronen in argon en xenon atomen kunnen reageren op passerende deeltjes donkere materie, drie daarvan waren bij onderzoekers nog niet eerder bekend. De groep doet voorspellingen voor de detectie van donkere materie met elektronen en ze hopen dat de onderzoekslaboratoria daarmee aan de slag gaan. Bron: Phys.org.

Weer wijzen de metingen van LHCb aan B-mesonen in verval op Nieuwe Natuurkunde

De reconstructie van een B-meson in verval in allerlei andere deeltjes in de LHCb. Credit: CERN/LHCb

Natuurkundigen die met het Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb), verbonden aan de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, metingen hebben gedaan aan B-mesonen blijven maar anomalieën zien in het verval van die subatomaire deeltjes, wijzend op ‘Nieuwe Natuurkunde’, natuurkunde die niet beschreven kan worden met het Standaard Model, het model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen. Bij LHCb kijken ze in het bijzonder naar B-mesonen, dat zijn deeltjes die bestaan uit een bottom antiquark en een up (B+), down (B0), strange (B0s) of een charm quark (B+c). Er zijn zes smaken quarks, deze genoemde vijf quarks, plus het allerzwaarste top-quark. Alleen subatomaire deeltjes die opgebouwd zijn uit de twee lichtste quarks (up en down) zijn stabiel, zoals protonen en neutronen, de overige deeltjes zijn kortlevend en vervallen in een fractie van een seconde. Zo ook dat B-meson, dat in de detector van de LHCb kan worden gecreëerd als protonen met hoge snelheid tegen elkaar worden geknald, waarna het snel weer vervalt, in pakweg 1,6 x 10-¹² seconde. Dat negatief geladen zware bottom quark in het meson (dat vroeger het beauty quark werd genoemd, vandaar de verklaring van de ‘b’ in de LHCb) vervalt dan in het minder zware positief geladen charm quark. Tenminste, zo gaat het volgens het Standaard Model (SM). Maar de LHCb neemt ook ‘anomalieën’ waar, afwijzingen van deze SM-regel: heel af en toe vervalt het bottom quark niet in een positief charm quark, maar in een negatief geladen strange quark. Op zich staat SM dat ‘verval-kanaal’ wel toe, maar niet in de wijze waarop de ontstane vervaldeeltjes hun weg banen door de detector.

Schamtische weergave van de opbouw van de LHCb detector. Credit: CERN/LHCb.

Op iedere miljoen B-mesonen in verval wordt één zo’n vreemd verval gezien, afgelopen waarneemperiode zijn dat er zo’n 4500 geweest, het dubbele aantal van wat de LHCb bij een eerdere meting in 2015 waarnam. De hoek waar de deeltjes heenvliegen is namelijk te berekenen volgens SM, maar bij de LHCb wordt een iets andere hoek gemeten. En dat is het vreemde van de hele zaak. Daarnaast heeft men nog een ander vervalkanaal van de B-mesonen bekeken, waarbij ze vervallen in leptonen, een andere soort van deeltjes, zoals de elektronen en muonen. Ook daarbij heeft de LHCb iets gezien wat niet overeenkomt met SM: in plaats van een verhouding 50-50 in de productie van elektronparen – muonparen, zoals SM voorspelt, vond men een verhouding van 60 -40. Kortom, aanwijzingen dat er meer is dan wat het Standaard Model ons zegt over de wereld der elementaire deeltjes en de krachten daartussen… Nieuwe Natuurkunde zoals dat ook wel wordt genoemd. Hard bewijs met een statistische betrouwbaarheid van 5σ is er nog niet. Maar de aanwijzingen blijven zich wel opstapelen, ook na metingen in voorgaande jaren.

Credit: CERN

Mochten de anomalieën juist zijn en wijzen op natuurkunde die niet beschreven is volgens SM dan zijn er twee kandidaten voor de verklaring hiervoor: het zou kunnen dat er een niet elementair deeltje is, het zogeheten Z’ boson, spreek uit ‘Zet Prime’. We kennen al een gewoon Z boson, dat verantwoordelijk is voor de zwakke wisselwerking van materie. Z’ zou dan de zwakke wisselwerking tussen elektronen en muonen doen en die verschillend bedienen daarbij. Als het Z’ boson bestaat zou er ook een nieuw zwaar materiedeeltje moeten bestaan. En dat deeltje zou dan mogelijk een verklaring kunnen zijn voor donkere materie. Naast het Z’ boson is er nog een andere theoretische verklaring voor de waargenomen anomalieën. Het zou namelijk kunnen gaan om een zogeheten leptoquark (LQ), een deeltje dat in staat is een quark in een lepton te veranderen en een lepton in een quark.  In de afbeelding hierboven zie je in het midden een voorbeeld van een verval met een Z’ boson, rechts met een leptoquark. Hier het vakartikel over de laatste metingen met de LHCb. Bron: Quanta Magazine.

Rocket Lab stuurt aan op duurzame exploratie van de ruimte

“Deze bijzondere ruimtesonde heeft 4 HR camera’s, veel sensoren alsook een communicatie systeem en we gaan er enkele duizenden van lanceren in het zonnestelsel voor exploratie en het zoeken naar buitenaards leven,” aldus Peter Beck oprichter en CEO van het Nieuw-Zeelandse Rocket Lab die in een onlangs gegeven Tedtalk de kleine ruimtesondes en raketten in de spotlights zette.

Lees verder

De leeftijd van een elektron blijkt minstens 66.000 yottajaar te zijn

De Borexino detector (credit: Borexino Collaboration).

Onderzoek met het Borexino experiment in Italië laat zien dat de leeftijd van het elektron minstens 66.000 yottajaar is, in normale wiskundetaal 6,6 x 10^28 jaar, in normale mensentaal zesenzestigduizend keer een quadriljoen jaar, in normale kosmologentaal vijf triljoen keer de leeftijd van het heelal. Elektronen zijn de lichtste elementaire deeltjes die een negatieve elektrische lading dragen. Spontaan kunnen ze niet vervallen, want dat zou een schending van behoud van lading betekenen. Volgens het Standaard Model kunnen elektronen daarom niet vervallen. Maar dat model is niet zaligmakend en daarom houden natuurkundigen er rekening mee dat een elektron héél af en toe wel vervalt en wel in een foton en een neutrino. Dat verval heeft men getracht waar te nemen in dat Borexino experiment, waarbij een vat met 300 ton organische vloeistof, diep onder de grond onder het Gran Sasso gebergte in Italië en naar schatting zo’n 10^32 elektronen bevattend, continue in de gaten wordt gehouden.

Mocht er een elektron op een mooie dag vervallen dan zou het hypothetisch in een foton en neutrino kunnen vervallen, van samen 256 KeV energie. Dat foton zou op haar beurt weer reageren met een ander elektron en dat zou dan opgemerkt moeten worden door één van de 2212 photomultipliers in de detector. Tussen januari 2012 en mei 2013 werd gekeken of men een elektronenverval zag, maar helaas pindakaas, geen verval gezien. Op basis daarvan heeft men die minimumleeftijd van 66.000 yottajaar bepaald – yotta schijnt het grootste officiële voorvoegsel te zijn, het staat voor 10^24. In 1998 had men ook al eens geprobeerd een elektronenverval waar te nemen en toen kwam men uit op een minimumleeftijd van 4.6 x10^26 jaar, ruim honderd keer korter dan de actuele meting. Over leeftijden gesproken: protonen schijnen hypothetisch ook te kunnen vervallen. Hun minimale leeftijd is pakweg 1.29×1034 jaar, net zoals de elektronenleeftijd bepaald door experimenten. Ooooohhhh, 66.000 yottajaar stelt helemaal niets voor. 🙂 Bron: Physics World.

Massaverhouding tussen protonen en elektronen al 12,4 miljard jaar hetzelfde

Credit: Swinburne Astronomy Productions.

Door gebruik te maken van de spectra van een zeer ver weg staande quasar zijn sterrenkundigen erin geslaagd om vast te stellen dat de verhouding tussen de massa van het proton en dat van het elektron al 12,4 miljard jaar hetzelfde is en wel met een precisie van één miljoenste. Met de Very Large Telescope (VLT) in Chili keek een team van sterrenkundigen onder leiding van Julija Bagdonaite (VU Amsterdam) naar quasar PSS J1443+2724, een sterrenstelsel met een zeer actief zwart gat in het centrum, waarvan het licht onderweg naar de aarde een ‘voorgrond-sterrenstelsel’ passeerde. Dat voorgrond-stelsel ligt op een afstand van 12,4 miljard lichtjaar (roodverschuiving z = 4,22) – dat is al héél ver, op een afstand toen het heelal nog geen tiende van z’n huidige leeftijd had – de quasar ligt met z = 4,42 dáár weer achter. Door naar de absorptielijnen van het moleculair waterstof, uitgezonden door de quasar en geabsorbeerd door het gas in het voorgrond-stelsel, te kijken kan men zien of er bepaalde overgangen in de energie van het waterstof hebben plaatsgevonden. Een eventuele verandering van μ, da’s de massaverhouding van protonen en elektronen, zou als zo’n overgang te zien moeten zijn.

Impressie van een zwart gat in een quasar. Credit: Robin Dienel, provided courtesy of the Carnegie Institution for Science.

De massa is nu 1,67 x 10-27 kg van het proton en 9,11 x 10-31 kg van het elektron. Er zijn theorieën buiten het gangbare Standaard Model, die zeggen dat de natuurconstanten langzaam kunnen veranderen als gevolg van de aanwezigheid van scalar velden in het heelal. Maar de uitkomst is dat ÃŽÂ¼ binnen een marge van 0,000001 al 12,4 miljard jaar hetzelfde is gebleven. Het vakartikel hierover, gepubliceerd in Physical Review Letters, is hier te vinden. Bron: Physics World.

Onzichtbaar schild behoedt aarde voor ‘killer-elektronen’

Artist’s impression van de Van Allen-gordels rond de aarde. Ook de ligging van het recent daarin ontdekte ‘elektronenschild’ is aangegeven. (Andy Kale, University of Alberta)

Wetenschappers hebben ontdekt dat zich ongeveer 11.000 kilometer boven de aarde een onzichtbaar ‘schild’ bevindt dat elektronen tegenhoudt die met bijna de snelheid van het licht langs onze planeet suizen. Zulke ‘killer-elektronen’, die vrijkomen bij hevige uitbarstingen van de zon, vormen een bedreiging voor astronauten, satellieten en ruimtestations (Nature, 27 november). De elektronenbarriére is aangetroffen in de Van Allen-gordels, twee donutvormige ringen om de aarde die gevuld zijn met energierijke elektronen en protonen. Hij bevindt zich aan de binnenzijde van de buitenste gordel.Volgens de ontdekkers lijkt het alsof ultrasnelle-elektronen daar op een glazen muur in de ruimte stuiten. Een sluitende verklaring voor het bestaan van die scherpe begrenzing ontbreekt vooralsnog. Er zijn wel aanwijzingen dat de hevigste uitbarstingen van de zon in staat zijn om het schild te doorbreken. Een van de mogelijkheden is dat de ‘plasmasfeer’ van de aarde, een grote wolk van koud, elektrisch geladen gas die duizend kilometer boven het aardoppervlak begint en zich tot op een afstand van vele duizenden kilometers uitstrekt, er iets mee te maken heeft. Verder onderzoek moet uitwijzen of de laagfrequente elektromagnetisch golven die in de deze wolk optreden de elektronen afweren. Bron: Astronomie.nl.

Positron-overschot wellicht gevolg van ‘iets anders’ dan pulsars of donkere materie

De AMS-02 detector, verbonden aan het ISS. Credit: NASA/AMS-02

Instrumenten zijn al jaren bezig om in de kosmische straling waarnemingen te doen aan een gedeelte ervan, dat bestaat uit elektronen en hun antideeltjes, de positronen. Waarnemingen met de Pamela-satelliet en Fermi-satelliet hebben eerder al laten zien dat er een gering overschot of ‘exces’ is van positronen boven het verwachtte aantal positronen in de kosmische straling op grond van theoretische modellen. Dat overschot zou kunnen duiden op annihilatie van donkere materie als bron van de elektronen en positronen, maar het zou net zo goed ook kunnen ontstaan door een pulsar nabij het centrum van de Melkweg. Op het internationale ruimtestation ISS is sinds mei 2011 de tweede Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) verbonden en da’s net zo’n instrument als Pamela en Fermi, maar dan nog beter uitgerust om die hoogenergetische kosmische straling waar te nemen. Kijk op deze blog voor de uitleg van de AMS-02 in een notedop, hieronder zie je ‘m.

De loodzware Alpha Magnetic Spectrometer 02. Credit: NASA/AMS-02

Deze week werden van AMS-02 de resultaten tot nu toe bekendgemaakt, gebaseerd op maar liefst 41 miljard van die deeltjes die door het instrument zijn waargenomen en die zijn geanalyseerd. Hieronder zie je de resultaten, het aantal waargenomen positronen weergevend als functie van hun energie.

Credit: NASA/AMS-02

Uit de gegevens heeft het AMS-02 team, dat onder leiding staat van Nobelprijswinnaar Samuel Ting, kunnen afleiden dat er een stijging van het positronen-overschot is tot ze een energie van 275 ± 32 GeV bereiken, dan wordt het maximum bereikt. De grote vraag is nu: wat volgt er ná dat maximum, is er dan een abrupte daling, een zogenaamde cut-off? Dat zou namelijk een indicatie zijn dat annihilerende WIMP’s, zware deeltjes donkere materie, de bron van de elektronen en positronen zijn. Dat zou nog steeds kunnen met de nu voorliggende gegevens en die WIMP’s zouden dan ongeveer 1 TeV massa hebben. Maar het punt is dat de cut off zelf niet is waargenomen, de waarnemingen houden zo’n beetje op bij het maximum. Het is dus niet te zeggen óf er een cut off is en zo ja hoe steil of abrupt die is. Verder blijkt dat tussen 20 en 200 GeV de hoeveelheid positronen behoorlijk groter is dan de hoeveelheid elektronen en dat duidt op een nieuwe mogelijkheid, namelijk dat deze deeltjes helemaal niet door pulsars of donkere materie ontstaan, maar dat er een nog onbekende bron is, ‘that may be the sign of an unknown phenomenon‘. Woehahaha, da’s helemaal interessant! Bron: Science Daily + CERN + Resonaances + The Reference Frame.

Wetenschappers hebben ontdekt hoe licht in materie kan worden omgezet

Voorgestelde manieren van interacties tussen licht en materie.

Wetenschappers van het Imperial College London hebben ontdekt hoe je licht kunt omzetten in materie, iets waarover al tachtig jaar getheoretiseerd wordt, maar dat tot nu toe onmogelijk leek om te realiseren. In 1934 kwamen de natuurkundigen Breit en Wheeler met een op zich eenvoudige theorie dat je materie zou kunnen creëren door twee fotonen (lichtdeeltjes) tegen elkaar te laten botsen, waarbij een elektron en positron zouden ontstaan, een materiedeeltje en antimateriedeeltje. Volgens Breit en Wheeler klonk het in theorie allemaal simpel, maar ze verwachtten niet dat daadwerkelijke productie van elektron-positronparen uit fotonen zou lukken. Een groep natuurkundigen onder leiding van Oliver Pike van het Imperial College London heeft nu een methode bedacht waarmee daadwerkelijk materie uit licht moet worden gecreëerd.

Een gouden ‘hohlraum’. Credit: Nature Photonics

In een recent gepubliceerd artikel in Nature Photonics [1]Ik merk dat de link nog niet werkt, maar dat heeft wellicht te maken met de embargo die er op het artikel rust. “Once embargo has lifted, the paper can be downloaded” staat in de bron. beschrijven Pike et al de methode, waarbij een zogenaamde hohlraum een belangrijke rol speelt, een duits woord voor lege ruimte of caviteit. Zo’n hohlraum is een lege ruimte, waarvan de wanden in stralingsevenwicht zijn met de stralingsenergie in de lege ruimte. Er zijn meerdere manieren om licht en materie in elkaar om te zetten (zie afbeelding linksboven), waarvan de Breit-Wheeler manier de meest eenvoudige is. Pike en z’n collegae denken dat de omzetting in twee stappen kan gebeuren. Eerst versnellen ze met hulp van een krachtige laser elektronen tot net onder de lichtsnelheid en die elektronen botsen met een gouden plaat, waarna fotonen worden gecreëerd die miljarden keer meer energie hebben dan de fotonen van zichtbaar licht. Bij stap twee wordt opnieuw met een laser het binnenste van een gouden hohlraum (zie afbeelding) beschoten, waarmee een thermisch stralingsveld ontstaat, ook weer van fotonen. De fotonen uit de eerste stap worden dan gericht op het centrum van de gouden hohlraum en deze reageren dan op de fotonen van de tweede stap, waarna paren van elektronen en positronen zullen ontstaan. OK, nou nog in de praktijk brengen, mensen! En daarna: “Beam me up, Scotty”? Bron: Eurekalert. [Update 23.15 uur] Ik kwam onderstaande afbeelding tegen, waarin de fotonenbotser wordt voorgesteld, die uiteindelijk moet leiden tot de omzetting van licht (fotonen) in materie (elektronen en positronen):

Bron: Photonics.

References[+]

References
1 Ik merk dat de link nog niet werkt, maar dat heeft wellicht te maken met de embargo die er op het artikel rust. “Once embargo has lifted, the paper can be downloaded” staat in de bron.

Honderd jaar geleden kwam Niels Bohr met z’n atoommodel

Niels Bohr, de ‘vader van het atoommodel’ Credit: AB Lagrelius & Westphal.

Juli 1913 – komende maand precies honderd jaar geleden – publiceerde de Deense natuurkundige Niels Bohr (1885-1962) in het tijdschrift Philosophical Magazine Series 6, Volume 26 z’n beroemd geworden artikel “On the Constitution of Atoms and Molecules“, waarin voor het eerst geponeerd werd dat atomen bestaan uit een atoomkern, waar elektronen omheen draaien. In het artikel schreef Bohr dat de banen van elektronen om de atoomkern gekwantificeerd zijn en dat deze banen worden gekenmerkt door gedefinieerde waardes, namelijk h/2π, 2h/2π, 3h/2π etc (waarbij h de constante van Planck is).Twee jaar eerder had Ernest Rutherford ook al een poging gedaan het atoom te beschrijven, maar die kwam niet verder dan een model van een positief geladen bolletje – een soort plum pudding – waarin kleine negatief geladen stukjes zaten, de electronen. Feitelijk was de discussie over atomen al millenia oud, zoals ook te zien is aan de tijdlijn hieronder van de verschillende atoommodellen. Rutherfords model gaf geen verklaring voor de vraag waarom de negatief geladen elektronen niet direct op de atoomkern knalde, want tegengestelde (electromagnetische) ladingen trekken elkaar toch aan Bohr’s gekwantificeerde energiebanen losten het probleem op. Daarbij postuleerde hij dat de emissie van licht optreedt wanneer een elektron zich verplaatst van een hogere energiebaan naar een lagere; absorptie van een foton zorgt voor het tegengestelde effect. De energie die hierbij vrijkomt (in de vorm van een foton) is hν, metν de frequentie van de uitgezonden golf. Op deze wijze kon hij het atoomspectra – exacte frequenties van lichtkwanta – van waterstof verklaren.Met zijn artikel uit 1913 was Bohr één van de grondleggers van de kwantummechanica, dat in de jaren twintig werd ontwikkeld en dat samen met Einstein’s Relativiteitstheorie tot de twee grootste natuurkundige theorieën van de twintigste eeuw behoort. Bron: Science News + Wikipedia.