26. Januari 2009, 17:36

De nieuwe EOS is uit en dat betekent dat het nu de beurt is aan Hans Van Gossum om jullie wegwijs te maken in de wetenschap. Ver moeten jullie het eigenlijk niet zoeken want Hans zit hier gewoon een beetje verder op de Campus Groenenborger van de Universiteit Antwerpen. 

Ik vond het alleszins een boeiende ervaring om jullie op de hoogte te brengen van het reilen en zeilen in deeltjesfysica en kosmologie. En, eerlijk gezegd, ik heb er zelf ook nog wat van bijgeleerd omdat ik nu verplicht was om onderwerpen waarmee ik bezig ben eens op een andere manier uit te leggen. Ik hoop dat dit min of meer gelukt is.

Indien jullie verder wil volgen wat er nu met de Large Hadron Collider in CERN staat te gebeuren, verwijs ik jullie graag door naar de Oerknallers blog van mijn collega Nick van Remortel.  Wie weet, misschien schrijf ik daar ook eens een stukje voor.

Ondertussen wens ik iedereen alvast veel plezier met Hans en de evolutieleer. Succes!

Pierre

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (1)  Geef uw reactie!

21. Januari 2009, 09:50 Een van de laatste componenten die nog aan de CMS-detector zullen worden toegevoegd, is de zgn. CASTOR-calorimeter.  Samen met andere medewerkers van de Universiteit Antwerpen ben ik nu druk in de weer om deze detector klaar te krijgen voor de LHC deze zomer weer opstart.  Momenteel staat hij in een labo in CERN waar hij opgebouwd wordt.  Daardoor kun je nu goed zien hoe zo'n detector werkt.

CASTOR staat voor CAlorimeter for STrange Object Research - de naam klinkt nogal esoterisch en doelt op de beruchte strangelets die zouden kunnen geproduceerd worden door de LHC.  Een strangelet is hypothetische vorm van de materie die uit ongeveer evenveel up, down en strange quarks zou bestaan.  Normale materie bestaat haast uitsluitend uit up en down quarks.  Nu is de zoektocht naar strangelets zeker niet de hoofdbedoeling van CASTOR.  Aan de Universiteit Antwerpen willen we deze calorimeter vooral gebruiken om meer te weten te komen over de theorie van de sterke wisselwerking: de kwantumchromodynamica.

In het onderstaande filmpje leg ik nog eens uit hoe een calorimeter werkt.  Absorptieplaten worden afgewisseld met detectieplaten.  Hier bestaat het absorberend materiaal uit wolfraam en de detectie gebeurt via kwartsplaten. Een inkomend deeltje zal met de wolfraam-atomen botsen en veroorzaakt zo een lawine aan elementaire deeltjes.  Het signaal wordt geproduceerd via het zogenaamde Cherenkov-effect.  Wanneer elektrisch geladen deeltjes doorheen het kwarts vliegen met een snelheid die groter is dan de lichtsnelheid in kwarts, ontstaat er een lichtflits die te vergelijken is met de knal die je hoort wanneer een vliegtuig door de lucht vliegt met een snelheid die groter is dan de geluidssnelheid in lucht.  

Het geproduceerde licht wordt vervolgens opgevangen door licht-geleiders en naar photo-multipliers gebracht.  Dat zijn lichtgevoelige detectoren die een lichtsignaal omzetten in een elektrisch signaal.  Eigenlijk kun je dus stellen dat onze detector een zeer ingewikkelde digitale camera is.

 

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

18. Januari 2009, 21:49

Heeft het lezen van de kosmologie-bijlage je enthousiasme voor wetenschappelijk onderzoek gewekt?  Zou je graag eens zelf deelnemen aan het onderzoek dat bij CERN gebeurt?  Studeer je momenteel aan een universiteit of hogeschool in een wetenschappelijke of technische richting?  

Dan is er goed nieuws voor jou:  elk jaar doet CERN immers een oproep voor "Summer Students" en "Technical Students".  Je kan dan als jobstudent in CERN aan de slag en/of een opleiding volgen.  Je krijgt er nog een mooie vergoeding voor ook! 

Het is een unieke ervaring die je bovendien nog heel wat troeven oplevert voor je latere carière.  Doen dus!

 

 

Hier vind je meer informatie en inschrijvingformulieren voor beurzen voor zomerstudenten en technische studenten. Opgelet de deadlines zijn respectievelijk 28 januari en 13 maart 2009!

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

16. Januari 2009, 15:29

Een echte deeltjesdetector is natuurlijk wat complexer dan de nevelkamer die ik gisteren demonstreerde.  Onze CMS-detector is zo groot als een gebouw van 5 verdiepingen.  Hij is 15 meter hoog en breed en 21,5 meter lang.  In totaal weegt hij zo'n 12500 ton en dat gewicht komt voornamelijk van de bijzonder sterke magneet die er in zit. 

Moderne deeltjesdetectoren hebben eigenlijk steeds dezelfde karakteristieke structuur.  Zoals een ajuin bestaan ze uit verschillende schillen en elke schil heeft zo zijn eigen functie.  Het basisprincipe bij de detectie en identificatie van een elementair deeltje is dat we eerst zoveel mogelijk over het deeltje willen te weten komen, zonder het te vernietigen.  Daarna mag het deeltje geabsorbeerd worden door de detector.

Vanuit het interactiepunt waar de deeltjes uit de bundels met elkaar botsen vertrekken er vele nieuwe deeltjes in allerlei richtingen.  Een deeltjesdetector moet dus bijna hermetisch zijn en een zo groot mogelijke ruimtehoek bestrijken om al die deeltjes te detecteren.  Uiteraard moet je in het centrum wel plaats laten voor de bundelpijp die de deeltjes die niet botsen verder leidt.  

De eerste soort detectoren die de deeltjes op hun weg tegenkomen zijn de sporenkamers.  Zoals het woord zelf zegt, is het de bedoeling om met deze detectoren de trajecten te reconstrueren die de deeltjes volgen. Daarbij worden de deeltjes zelf amper beïnvloed. Het materiaal waaruit de sporenkamers zijn opgebouwd moet heel licht en ijl zijn, want de deeltjes mogen immers niet botsen en van richting veranderen, wat het opmeten van hun traject onmogelijk zou maken.

We kunnen die sporen "zien" doordat elektrisch geladen deeltjes het materiaal dat ze doorkruisen ioniseren of exciteren.  Die ionisaties worden dan op een of andere manier zichtbaar gemaakt. Soms gaat dat rechtstreeks (zoals bij een nevelkamer of een bellenvat), maar tegenwoordig worden de ionisaties en excitaties meestal omgezet in een elektrisch signaal, dat door computers wordt uitgelezen en "vertaald" naar een spoor. 

Vaak creëren we wel een sterk magnetisch veld zodat elektrisch geladen deeltjes in de sporenkamers afgebogen worden.  Uit de kromtestraal van die gebogen baan achterhalenen we de impuls (of snelheid). 

Na de sporenkamers komen de deeltjes terecht in calorimeters.  Deze bestaan uit zeer dicht materiaal (bv. wolfraam of uranium, ...), zodat de deeltjes haast onmiddelijk met atomen en moleculen uit het materiaal botsen.  Daaruit ontstaan nieuwe deeltjes die op hun beurt met het materiaal interageren, zodat uiteindelijk een lawine van elementaire deeltjes ontstaat. 

In speciale detectielagen wordt deze lawine opnieuw opgemeten via de ionisaties en excitaties die de geladen deeltjes in de lawine veroorzaken.  Het aantal deeltjes in de lawine staat in verband met de totale energie van het oorspronkelijke deeltje en dus kunnen we met dergelijke calorimeters de energie van die oorspronkelijke deeltjes meten.

De meeste elementaire deeltjes worden volledig geabsorbeerd in de calorimeters.  Enkel muonen en neutrino's hebben een dusdanig hoog doordringend vermogen, dat ze dwars door de calorimeters door vliegen.  Muonen zijn wel weer elektrisch geladen en zijn dus zichtbaar in sporenkamers.  Als we dus net buiten de calorimeters opnieuw sporenkamers plaatsen en zien dat er in die laatsten een deeltje passeert, dan weten we zeker dat het om een muon gaat.  Dit type detectoren noemen we muonkamers.

Neutrino's zijn het moeilijkst te detecteren.  Zij interageren enkel via de zwakke kernkracht en dus produceren ze in geen enkel van de bovenstaande detectortypes een signaal.  De aanwezigheid van neutrino's wordt daarom onrechtstreeks afgeleid uit een schijnbaar onevenwicht in de energie-impulsbalans van de botsing: wegens de wet van behoud van energie en impuls weten we dat als er een onevenwicht is tussen energie en impuls voor en na de botsing, dat dit te wijten moet zijn aan de aanwezigheid van deeltjes die we niet gezien hebben.

Moderne hybride deeltjesdetectoren gebruiken al de bovenstaande types om een zo volledig mogelijk beeld te krijgen van de deeltjes die in de botsingen tussen bundeldeeltjes geproduceerd worden.  Uiteraard staat de technologie niet stil, en worden er voortdurend nieuwe technieken uitgevonden om deeltjes te detecteren.  Het algemene principe van sporenkamers, calorimeters en muonkamers verandert echter niet zo snel. 

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

15. Januari 2009, 17:04

Vandaag de dag gebruiken we gigantische toestelen om elementaire deeltjes te detecteren.  Nochtans kan het ook met heel eenvoudige middelen en kun je zelfs thuis of op school een eenvoudig experiment uitvoeren om elementaire deeltjes zichtbaar te maken. Dit moet je zeker eens proberen!

Elementaire deeltjes zijn er altijd en overal. Onze aarde wordt vanuit de ruimte voortdurend bestookt door zgn. "kosmische stralen".  Dat zijn deeltjes zoals protonen of andere atoomkernen die met een zeer hoge snelheid en energie onze atmosfeer binnendringen.  Daar botsen ze met de atomen en moleculen uit onze atmosfeer waardoor een ganse lawine ontstaat van elementaire deeltjes.   Bovendien bevinden we ons ook in een wolk van elementaire deeltjes afkomstig van het radioactief verval van atomen in het materiaal rondom ons.  Je merkt daar niets van, maar al deze deeltjes vliegen dwars door jou heen, soms zelfs tot diep in de aarde.

Om dit experiment uit te voeren heb je het volgende nodig:

• een aquarium met een goed aansluitend metalen deksel
• vilt
• alcohol (bv. propanol of isopropyl)
• droog ijs (opgepast: droog ijs kan brandwonden veroorzaken, doe dus veiligheidshandschoenen aan!)

In het onderstaande filmpje demonstreer ik hoe je dit experiment kunt uitvoeren.  Als het goed gaat, zie je na enkele minuten condensatiesporen die veroorzaakt worden door voorbijvliegende deeltjes.

Wat gebeurt er precies?  De alcohol verdampt en het aquarium wordt gevuld met een verzadigde alcoholdamp die langzaam naar beneden zakt.  Omdat de metalen plaat onderaan erg koud is, condenseert de alcohol enkele centimeters boven de plaat.  De temperatuur zakt echter zo snel dat de alcoholdamp onderkoeld geraakt.

Wanneer  nu een elektrisch geladen elementair deeltje door de alcoholdamp vliegt, ontstaan er ionen waarrond de alcholdamp snel condenseert.  Daardoor ontstaan er witte sporen waar het deeltje voorbijgekomen is.  Dit fenomeen is erg goed te vergelijken met de condensatiesporen die vliegtuigen soms achterlaten op een zonnige dag: de waterdamp in de atmosfeer condenseert dan rond de roetdeeltjes die het vliegtuig achterlaat.

Verschillende deeltjes zullen verschillende sporen maken.  Alfadeeltjes (dit zijn heliumkernen) zijn relatief zwaar en zullen veel ionisaties veroorzaken.  Daardoor ontstaat er een dik en zeer duidelijk zichtbaar spoor.  Betadeeltjes (dit zijn elektronen of positronen) zijn daarentegen veel lichter en zullen een dun spoor maken.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (5)  Geef uw reactie!

11. Januari 2009, 16:54

De eenvoudigste vragen zijn vaak het moeilijkst te beantwoorden.  Het lijkt zo logisch: vandaag dijt het heelal uit, dus was het vroeger kleiner. Uit waarnemingen blijkt dat je die tendens kan doortrekken tot het heelal een zeer klein en compact object was. De expansie van dat compacte object noemen we de Big Bang.  Maar wat heeft die Big Bang veroorzaakt?  En wat was er dan voor de Big Bang?

Dit zijn vragen waar wetenschappers zich vaak een beetje ongemakkelijk bij voelen.  Wat is het probleem?  Wel, de gebruikelijke antwoorden steunen op speculaties die amper experimenteel bevestigd kunnen worden.  En de wetenschappelijke methode steunt juist op die experimentele bevestiging.  Als een theorie niet kan bevestigd of ontkracht worden met een experiment, dan is ze niet wetenschappelijk maar hoort ze toe tot de religie of de pseudo-wetenschap.

In vele gevallen kan experimentele deeltjesfysica bijdragen tot het testen van een kosmologisch model.  Theorieën van het vroege heelal beschrijven immers materie met een zeer hoge temperatuur en dichtheid. Toen bewogen elementaire deeltjes vrij door elkaar en hadden ze een erg hoge energie. Met deeltjesversnellers kunnen we nagaan wat er gebeurt als deeltjes met hoge energie met elkaar botsen.  De huidige versnellers halen een energie van de orde van 10 tera-elektronvolt (TeV).  Natuurlijk is de duur van zo'n botsingsproces te kort om een thermisch evenwicht te bereiken, maar voor systemen die wel in thermisch evenwicht zijn, komt 10 TeV overeen met een temperatuur van 10¹⁷ Kelvin. Die temperatuur werd bereikt toen het heelal zo'n 10^-14 seconde oud was.  Dit is de reden waarom deeltjesfysici beweren dat ze het ontstaan van het heelal bestuderen.  Vermits het onmogelijk is om met de huidige technologie beduidend hogere energieën te bereiken, weten we niet hoe de materie zich gedraagt bij nog hogere temperaturen of nog korter na de Big Bang. 

Nu lijkt 10^-14 seconde al erg flink.  Het probleem is echter dat zelfs nog voor die zeer korte tijd nogal wat belangrijke dingen moeten gebeurd zijn die tot op vandaag hun gevolgen hebben.  Dat is meteen de enige manier waarop we modellen over het ontstaan van de Big Bang kunnen testen.  Ze moeten een heelal produceren dat er uitziet zoals we het vandaag waarnemen.  Waarover gaat het?

1. Het heelal is vlak
   Vandaag meten we dat het heelal een zo goed als vlakke geometrie heeft. Op kosmologische schaal is materie homogeen verdeeld.  Daar is eigenlijk geen enkele reden voor.  De kromming had evengoed positief (zoals bij een bol) of negatief (zoals bij een zadeloppervlak) kunnen zijn en als je lukraak een geometrie moet uitkiezen is het wel erg toevallig dat je een nul-kromming uitkomt. Bovendien volgt uit de algemene relativiteitstheorie dat een kleine afwijking van een vlakke geometrie in een uitdijend heelal steeds groter wordt.  Dat is logisch: een inhomogene verdeling van de materie zal onder invloed van de gravitatiekracht steeds inhomogener worden.  Het heelal moet vroeger dus nog veel vlakker en homogener geweest zijn dan nu om vandaag een kromming te meten die nul is binnen de meetfout.  Elke theorie die beschrijft wat er voor 10^-14 seconde is gebeurd, moet dus verklaren waarom het heelal met een vlakke kromming werd achtergelaten.
2. De kosmische achtergrondstraling is isotroop
   De kosmische achtergrondstraling is ontstaan toen elektronen zich aan atoomkernen bonden en het heelal transparant werd voor fotonen.  Dat gebeurde enkele honderdduizend jaar na het ontstaan van het heelal.  Het spectrum van de achtergrondstraling reflecteert de temperatuur van het plasma dat toen bestond en die, rekening houdend met de uitzetting van de ruimte, ondertussen 2,7 Kelvin bedraagt.  Het feit dat de fluctuaties in de temperatuur van de achtergrondstraling erg klein zijn, duidt er op dat het heelal zich toen in thermisch evenwicht bevond.  Het probleem is echter dat dit in principe niet kan omdat het heelal toen al te groot was.  Fotonen konden zelfs aan de lichtsnelheid niet het ganse heelal doorkruisen om zo een thermisch evenwicht te realiseren.  De isotropie van de kosmische achtergrondstraling moet dus ook verklaard worden door wat zich voor 10^-14 seconde afspeelde.

Beide problemen worden opgelost door de inflatie-hypothese. Een korte periode met een zeer snelle uitdijing rekt de ruimte uit waardoor inhomogeniteiten uitgevlakt worden.  Fotonen in een uitdijende ruimte hebben weliswaar lokaal een snelheid die gelijk is aan de lichtsnelheid, maar doordat de ruimte zelf ondertussen groter wordt leggen ze uiteindelijk toch een veel grotere afstand af dan je op basis van hun snelheid zou verwachten. Ze "surfen" als het ware op de uitdijende ruimte.   Op die manier kunnen ver uit elkaar gelegen delen van het heelal toch in verband staan met elkaar en kan er een thermisch evenwicht bereikt worden.

 

Inflatie en donkere energie zijn eigenlijk sterk met elkaar gelinkt.  In beide gevallen wordt de zwaartekracht tegengewerkt en dijt het heelal versneld uit. Vreemd genoeg is de inflatie korte tijd na het ontstaan van het heelal gestopt en heeft donkere energie eigenlijk pas recent in de geschiedenis van het heelal de kop op gestoken.  De drijvende kracht achter inflatie zou het "inflaton" zijn: een nieuw deeltje dat echter nog nooit experimenteel werd waargenomen.

Heb ik nu geantwoord op de vraag uit de titel?  Eigenlijk niet.  Want wat gebeurde er dan voor de inflatie?  En wat heeft dit alles veroorzaakt?  Misschien denk je dat een nog sterkere deeltjesversneller antwoorden kan leveren.  Maar om dit echt tot op het bot uit te spitten, moet je teruggaan tot de Planck-tijd, wanneer het heelal 10^-42 seconden oud was.  Daarvoor heb je een energie nodig van 10¹⁵ TeV, wat ver boven onze capaciteiten ligt.  De wetenschap kan ons dus (voorlopig) niet verder helpen.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (4)  Geef uw reactie!

03. Januari 2009, 22:14

Slechts 10 jaar geleden werd voor het eerst opgemerkt dat de uitdijing van ons heelal versnelt i.p.v. vertraagt.  Deze versnelling zou aangedreven worden door een "donkere energie", maar eigenlijk is dit gewoon een naam die we gebruiken om iets te benoemen dat we niet begrijpen.  De vraag waaruit deze donkere energie dan wel bestaat is de meest recente fundamentele en onbeantwoorde vraag uit de kosmologie en wellicht ook de meest mysterieuze.

De ontdekking van de versnelde uitdijing van het heelal dateert van 1998.  Twee onafhankelijke teams van wetenschappers probeerden toen te achterhalen hoe snel de uitdijing van het heelal vertraagde.  Om dit te doen gebruikten ze een speciaal soort supernova's. Dat zijn sterren die aan het eind van hun evolutiecyclus exploderen en daardoor een karakteristieke lichtflits uitsturen.  De maximale lichtkracht van type 1a-supernova's is min of meer constant en dat maakt ze uitermate geschikt om een afstandsmeting uit te voeren. Dit doe je door de schijnbare en absolute lichtkracht te vergelijken: verder gelegen object lijken immers zwakker dan dichtbij gelegen objecten. Daarnaast kun je natuurlijk zoals gebruikelijk de snelheid waarmee de supernova's van ons weg bewegen en het uitrekken van de tussenliggende ruimte afleiden uit de roodverschuiving van de spectraallijnen.  

Uit deze studies kwam een opmerkelijk besluit.  Veraf gelegen supernova's bewegen minder snel van ons weg dan verwacht.  Natuurlijk bewegen ze nog altijd sneller weg dan dichtbij gelegen supernova's, maar toch minder snel dan je zou verwachten indien de uitdijing van het heelal vertraagt. 

De snelheid waarmee objecten van ons weg bewegen staat in verband met hun afstand: dat is de wet van Hubble.  Hoe dat verband precies loopt, hangt af van de evolutie van uitdijing van het heelal doorheen de tijd.  Door naar veraf gelegen objecten te kijken, kijk je immers ook terug in de tijd.  Indien de uitdijing vertraagt, verliep ze vroeger dus sneller en zouden we de ver verwijderde supernova's relatief snel van ons weg moeten zien bewegen.  Maar dat is dus niet het geval.  Meer nog, uit de waarnemingen van type 1a-supernova's kun je ondubbelzinnig afleiden dat de uitdijing van het heelal versnelt.

Voor de ontdekking van donkere energie was de toekomst van het heelal voorspellen nog relatief gemakkelijk.  Alles hing ervan af hoeveel massa het heelal bevat. Het idee was dat het heelal uitdijt als gevolg van de Big Bang.  Die uitdijing wordt afgeremd door de gravitatiekracht.  Of de uitdijing al dan niet tot stilstand zou komen, hangt af van de hoeveelheid massa.  Als die gelijk is aan de zgn. "kritische massa", dan komt de uitdijing, na een oneindige tijd, uiteindelijk tot stilstand.  Als de massa te klein is, dan blijft de uitdijing altijd duren.  Als de massa groter is, dan zou het heelal zelfs terug in elkaar kunnen storten tot een soort van "Big Crunch".

Zonder donkere energie is er ook een eenvoudig verband tussen de geometrie van het heelal en de massadichtheid.  Een heelal met de kritische massadichtheid heeft ook een vlakke ruimtelijke geometrie.  Indien de massadichtheid kleiner is dan de kritische dichtheid dan is de kromming van het heelal negatief (zoals bij een zadeloppervlak).  Indien de massadichtheid groter is dan de kritische dichtheid, dan is de kromming positief (zoals bij een bol).

Dit plaatje wordt echter danig verstoord door de ontdekking van donkere energie.  Aangezien die energie op een of andere manier de uitdijing van het heelal ondersteunt, kan het heelal met een massa gelijk aan of groter dan de kritische massa toch eeuwig blijven uitdijen.  Ook de geometrie van het heelal heeft geen eenduidig verband meer met de massadichtheid.  Een vlak heelal (en waarnemingen lijken er op te duiden dat ons heelal inderdaad vlak is) kan dus toch eeuwig blijven uitdijen.  Uiteindelijk zullen sterrenstelsels zo ver van elkaar verwijderd zijn dat ze buiten elkaars waarnemingshorizon vallen. 

Welke verklaringen bestaan er voor donkere energie?  Eigenlijk bitter weinig.  Met dat verschil dat Einstein al de mogelijkheid van een soort van "donkere energie" had voorzien in zijn algemene relativiteitstheorie.  Toen hij die ontwikkelde was er immers nog geen sprake van de Big Bang-theorie en geloofde men in een statisch heelal.  Om de gravitationele ineenstorting van dat statische heelal te voorkomen, had Einstein de kosmologische constante ingevoerd, wat eigenlijk neerkomt om een soort van donkere energie.  Die kosmologische constante is echter nogal ad hoc en, nadat de Big Bang-theorie algemeen aanvaard werd, noemde Einstein het zijn grootste blunder.

Vandaag denken we dus terug aan de kosmologische constante en we hebben er zelfs een microscopische verklaring voor.  Kwantumfluctuaties van het vacuüm kunnen voor een afstotend effect zorgen en dus een donkere energie leveren.  Het probleem is echter dat, als je dit consequent doorrekent, je een kosmologische constante uitkomt die een factor 10¹²⁰ keer te groot is!  Qua foute voorspelling kan dat tellen...

De kosmologische constante is per definitie dezelfde overal in het heelal, terwijl andere vormen van donkere energie zouden kunnen veranderen in ruimte en tijd.  Dan spreekt men over "quintessence" (van quinta essentia, het vijfde klassieke element van de oude Grieken), een soort van ether die de ganse ruimte zou vullen.  Deze vorm van donkere energie zou geassocieerd zijn met een nieuw elementair deeltje (een soort van Higgs-boson zou een kandidaat kunnen zijn).  Een extreme vorm van quintessence is de fantoom-energie die toeneemt naarmate de tijd verstrijkt.  Uiteindelijk zou deze vorm van donkere energie zo sterk worden dat alle gravitationeel gebonden systemen uit elkaar vallen, zelfs ons eigen zonnestelsel. Dit noemt men dan de "Big Rip". Maar, geen paniek: volgens de wetenschappers die deze mogelijkheid voorstellen, zal het nog zo'n 50 miljard jaar duren eer het zover is.

Het besluit van dit alles is alvast dat ons heelal dus veel meer massa/energie bevat dan wat we rechtstreeks waarnemen.  Naast de zichtbare materie bestaat er donkere matere en ook nog eens donkere energie.

Wat we de laatste tien jaar dus vooral hebben bijgeleerd is dat onze kennis van het heelal zich eigenlijk beperkt tot een schamele 4% van alles wat het heelal bevat.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (2)  Geef uw reactie!

31. December 2008, 15:30 De boog moet niet altijd gespannen staan...  Er wordt op CERN heel hard gewerkt, maar daarnaast is er ook tijd om een beetje gek te doen.  Bovendien nemen we onszelf gelukkig niet al te serieus... neem nu bv. "Les Horribles Cernettes" - afgekort LHC ;-). Ze noemen zichzelf de enige hoge-energie rock band ter wereld en zingen - met een vette knipoog, en soms een beetje vals - over deeltjesversnellers, quarks en antimaterie.  Onlangs gaven ze een optreden voor de inauguratie van de LHC.  En als CERN een feestje geeft, zul je het geweten hebben!

Ook Alpinekat kwam op het podium met de "Large Hadron Rap": een mooie samenvatting van wat we met de LHC hopen te bereiken.  Alpinekat is het pseudoniem van Kate McAlpine, een medewerkster van CERN.  Met haar rap haalde ze zelfs het wereldnieuws.  Als je mee wilt zingen, kun je de tekst hier downloaden.

 

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

29. December 2008, 20:58

Zoals beloofd, overloop ik tijdens de kerstvakantie de belangrijkste fundamentele en nog steeds onbeantwoorde vragen in de kosmologie.  Vandaag wil ik het even hebben over de aard van de donkere materie in het heelal.

Sterren die zich in de buitenste regionen van onze Melkweg bevinden, cirkelen te snel rond het centrum van ons sterrenstelsel.  De gravitatiekracht te wijten aan alle zichtbare materie in de Melkweg is immers te zwak om de middelpuntvliedende kracht tegen te werken en deze sterren op hun baan te houden.  Ook de verandering van de rotatiesnelheid als functie van de afstand tot het centrum van de Melkweg is niet te verklaren op basis van de aanwezige zichtbare materie.

Hetzelfde geldt voor de snelheden van sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels en voor gravitatielenzen die het licht van verafgelegen objecten ombuigen.  Ook daar is er te weinig zichtbare massa aanwezig om de waarnemingen te verklaren.  Zelfs modellen die de structuurvorming in het heelal en de evolutie van sterrenstelsels beschrijven, leveren geen bevredigend resultaat als je alleen de zichtbare materie in rekening brengt.

Eigenlijk moet je dan, als kritische wetenschapper, de gravitatiewet en dus de algemene relativiteitstheorie van Einstein in vraag stellen.  Je zou kunnen besluiten dat de 1/r² afhankelijkheid van de gravitatiekracht wel geldt voor relatief korte afstanden, maar dat voor afstanden groter dan pakweg de straal van een sterrenstelsel, de gravitatiewet een andere vorm aanneemt. Alleen is het verdomd moeilijk om een alternatief te vinden dat zowel een aantal fundamentele principes respecteert alsook alle bestaande waarnemingen en experimenten kan verklaren.  Er bestaan wel enkele pogingen in die richting, maar voorlopig zijn die niet erg overtuigend.

De meest gangbare opvatting is dat alle bovenstaande problemen opgelost worden indien je het bestaan van donkere materie aanvaardt. Donkere materie wordt gedefinieerd als materie die niet via de elektromagnetische wisselwerking interageert.  Aangezien licht een elektromagnetisch verschijnsel is, straalt donkere materie dus geen licht uit en kunnen we het dus niet zien met optische of andere op het elektromagnetische spectrum gebaseerde telescopen. 

Op zich is dat niet zo bijzonder: we kennen immers al een heleboel deeltjes die niet gevoelig zijn voor de elektromagnetische kracht.  Neutronen zijn elektrisch neutraal en kunnen dus niet beïnvloed worden door elektrische of magnetische velden. Neutrino's zijn bovendien ook nog eens ongevoelig voor de sterke kernkracht en interageren dus enkel met andere deeltjes via de zwakke wisselwerking en de gravitatiekracht. 

Keuze aan deeltjes genoeg, dus. Alleen zijn er enorme hoeveelheden van nodig om het gravitationele gedrag van zichtbare materie te verklaren. Er zou zo'n vijf keer meer donkere materie dan zichtbare materie moeten zijn. Met de huidige gekende deeltjes alleen geraken we niet aan de nodige massa...

Met behulp van radiotelescopen kunnen we grote hoeveelheden waterstofgas detecteren zonder dat dit gas zich in sterren moet bevinden.  In 2005 werd zo'n wolk waterstofgas gevonden die 100 miljoen keer zwaarder is dan onze zon.  De rotatiesnelheid van het gas is echter niet te verklaren met deze massa alleen - naast het waterstof moet er ook nog eens 1000 keer meer donkere materie aanwezig zijn.  Dit maakt van dit object een heuse galaxie die bijna volledig uit donkere materie bestaat. Het kreeg de naam VIRGOHI21.  De ellips op de foto links toont het gebied waar de galaxie gevonden werd.  De foto rechts toont een sterrenstelsel dat men zou verwachten te zien op basis van de waarneming met radiotelescopen. Niets daarvan echter, VIRGOHI21 is een sterrenstelsel zonder sterren...

Maar is er dan een plausibel antwoord op de vraag waaruit die donkere materie zou bestaan?  Hieronder geef ik een kort overzicht van de mogelijke antwoorden.

• Het meest voor de hand liggende is normale materie dat geen licht uitstraalt: planeten, bruine dwergen, zwarte gaten, enz.  MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) zijn daar ook een voorbeeld van. Deze objecten kunnen zichtbaar worden via gravitationele lens-effecten. Zulke directe observatie leert ons echter dat dit enkel zo'n 20% van de nodige donkere materie kan verklaren. Deze objecten bestaan bovendien uit baryonen (de deeltjes die uit quarks bestaan en dus objecten zoals sterren en planeten opbouwen) en uit modellen voor Big Bang nucleosynthese volgt dat baryonen maximaal 5% van de kritische massa kunnen uitmaken. Hieruit volgt dus dat de meeste materie in het heelal niet-baryonisch en donker moet zijn.
• Een tweede kandidaat die niet meteen nieuwe fysica vereist zijn de neutrino's. Zij maken deel uit van het Standaard Model en zijn bijna massaloos. Hun massa is echter erg klein en hun impact op kosmologische schaal is verwaarloosbaar. (Tenzij hun massaverhouding erg verschilt van die van quarks en geladen leptonen of er meer dan drie families van elementaire deeltjes zijn, maar daar zijn geen aanwijzingen voor.)
• Dan komen we bij de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Hiervoor zijn er verschillende kandidaten. Het meest populaire is wellicht het neutralino. Dat is het lichtste neutraal deeltje dat voorspelt wordt door de supersymmetrie-theorie.  Het is een stabiel deeltje, dus het heelal zou er heel veel van kunnen bevatten. Andere kandidaten zijn bv. het axion (een deeltje dat voorspeld werd om CP-behoud in de sterke wisselwerking te verklaren) of steriele neutrino's (in het Standaard Model interageren enkel linkshandige neutrino's en rechtshandige antineutrino's met andere materie, rechtshandige neutrino's en linkshandige antineutrino's zijn dus "steriel", maar zouden nog wel via de gravitatiekracht een effect kunnen hebben). De zoektocht naar WIMPs kan op 2 manieren: je kunt naar WIMPs zoeken die nog overblijven sinds de Big Bang. Het DAMA experiment beweert bv. dat ze WIMPs ontdekt hebben, maar dit wordt momenteel betwist door andere experimenten. De andere manier is om WIMPs zelf aan te maken en dat is de strategie die versneller-experimenten volgen zoals binnenkort bij de LHC.

Maar, zoals hierboven al gezegd, zijn er ook wetenschappers die beweren dat er helemaal geen donkere materie nodig is, maar dat de gravitatiewet zelf moet aangepast worden. Het 1/r² gedrag van de zwaartekracht is eigenlijk enkel experimenteel bevestigd voor afstanden gaande van een fractie van een millimeter tot afstanden binnen ons zonnestelsel. Misschien dat de gravitatiewet op kosmologische schaal verschillend is. Een feit is alvast dat, zelfs met donkere materie, de uitdijing van het heelal zelf nog steeds niet te verklaren is.  Recent moest de hypothese van donkere energie ingevoerd worden om de theorie sluitend te krijgen.  Maar daarover vertel ik meer in een van mijn volgende berichten.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (4)  Geef uw reactie!

20. December 2008, 21:01

De kerstvakantie is begonnen.  Dat betekent dat het nu wat rustiger wordt, maar voor een wetenschapper is het werk nooit echt gedaan.  Zo zal ik van de luwte gebruik maken om een publicatie af te werken.  Bovendien dacht ik dat dit misschien het moment is om in deze weblog eens te overlopen welke de fundamentele vragen zijn over het heelal die vandaag nog steeds onbeantwoord zijn.  En als eerste wil ik het even hebben over de vraag waarom er in het heelal meer materie dan antimaterie voorkomt.  Meteen een vraag die het verband tussen kosmologie en deeltjesfysica erg duidelijk maakt.

Antimaterie is geen science-fiction, maar een dagelijkse realiteit voor deeltjesfysici.  Het bestaan van antimaterie werd al in 1928 voorspeld door Paul Dirac en kort daarna werd antimaterie ook ontdekt door Carl Anderson.  Sindsdien wordt het routinematig geproduceerd in laboratoria over de hele wereld en heeft het ook toepassingen gevonden in o.m. medische beeldvorming (de zgn. PET-scan). Volgens het Standaardmodel van de Deeltjesfysica bestaat er voor elke materiedeeltje ook een antimateriedeeltje en dit werd ook reeds uitgebreid experimenteel bevestigd.  Als materie- en antimateriedeeltjes bij elkaar gebracht worden, zullen ze spontaan annihileren tot bv. fotonen, wat een perfecte illustratie is van de equivalentie tussen massa en energie zoals vooropgesteld door Einstein.

Het probleem is dat volgens datzelfde Standaardmodel er bij de productie van een antimateriedeeltje ook bijna altijd een materiedeeltje vrijkomt.  Ook bij het ontstaan van het heelal zouden er dus bijna gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten gecreëerd zijn. Over het "bijna" gaat het nu juist.  Aangezien materie en antimaterie elkaar annihileren, zou er na korte tijd niets meer overblijven.  Tenzij er net iets meer materie aangemaakt werd dan antimaterie, dan zou de mogelijkheid bestaan om voldoende materie over te houden om de sterren en planeten van vandaag te vormen.  De vraag is dus in welke mate de symmetrie tussen materie en antimaterie in het Standaardmodel gebroken wordt en of dat voldoende is om de huidige kosmologische waarnemingen te verklaren.

De symmetrie tussen materie en antimaterie wordt in het Standaardmodel "CP"-symmetrie genoemd.  Hierbij staat de P voor pariteit: een operatie waarbij alle fysische systemen gespiegeld worden.  Er werd immers lang gedacht dat de wetten van de fysica onveranderlijk waren t.o.v. van een spiegeling.  In het geval van klassieke mechanica en elektromagnetische is dat zeker zo:  het gedrag van fysische systemen verandert niet als je hun spiegelbeeld beschouwt.   Toen de Chinese wetenschapster Chien-Shiung Wu in 1957 ondekte dat dit voor de zwakke wisselwerking niet het geval was, ging er een schok doorheen de wetenschappelijke wereld.  Het was zo'n beetje alsof je in een spiegel keek, je rechterhand opstak en je spiegelbeeld ook zijn rechterhand opstak (en dus niet zijn linkerhand).  

Er werd toen troost gezocht in de observatie dat de wetten van de fysica wel onveranderlijk bleken te zijn als je niet alleen een spiegeling uitvoert, maar bovendien ook nog eens alle deeltjes verandert in antideeltjes (en omgekeerd).  Die tweede operatie is de "C" van de "CP"-symmetrie en staat voor ladingspariteit (charge parity).  Als je dus in de spiegel kijkt en bovendien je spiegelbeeld vervangt door je "antispiegelbeeld", zal het bij het opsteken van je rechterhand toch weer zijn linkerhand omhoog brengen.  Indien de "CP"-symmetrie perfect is, houdt dit meteen ook in dat er altijd gelijke hoeveelheden materie en antimaterie geproduceerd worden.

De troost was echter van korte duur, want in 1964 toonden James Cronin en Val Fitch aan dat in een klein aantal gevallen ook de "CP"-symmetrie gebroken is in de zwakke wisselwerking.  Dit betekent dat heel soms je antispiegelbeeld toch weer zijn rechterhand opsteekt.  Gelukkig maar, want dit geeft ons een mogelijke verklaring waarom er ook in het heelal een asymmetrie is tussen materie en antimaterie.

De vraag was nu hoe deze breking van "CP"-symmetrie theoretisch in het Standaardmodel kon beschreven worden.   De verklaring van de schending van "CP"-symmetrie is een prachtig voorbeeld van hoe wonderlijk het Standaardmodel soms is.  In die tijd kende men nog maar drie quarks: de up-, down- en strange-quark.  Kobayashi en Maskawa toonden echter op wiskundig basis aan dat "CP"-symmetrie enkel gebroken kon worden indien er minstens 6 quarks zouden bestaan.  Het wiskundig bewijs kan ik hier niet eenvoudig uit de doeken doen, maar ik kan wel zeggen dat het steunt op de meetkundige observatie dat een figuur in een 2-dimensionaal vlak minstens 3 hoeken nodig heeft om een oppervlakte te hebben die verschilt van nul.  In de deeltjesfysica hebben we het dan over de "unitariteitsdriehoek". De oppervlakte van deze driehoek is een maat voor de grootte van "CP"-schending (of dus hoe dikwijls het kan gebeuren dat je antispiegelbeeld zijn rechterhand opsteekt).  Dit is het wonderlijke van de het Standaardmodel: zaken die op het eerste zicht niets met elkaar te maken hebben blijken plots onlosmakelijk met elkaar verbonden te zijn.  De observatie van schending van "CP"-behoud leidt tot de voorspelling dat er 6 verschillende quarks moeten bestaan.  Kobayahsi en Maskawa kregen er in 2008 de Nobelprijs Fysica voor.

Ondertussen is de unitariteitsdriehoek erg nauwkeurig gemeten.  We weten nu dat "CP"-schending onbetwistbaar is, maar dat de hoeveelheid "CP"-schending wel erg klein is.  Indien we op basis van de huidige metingen zouden voorspellen hoeveel meer materie dan antimaterie er in het heelal aanwezig is, komen we net genoeg uit om één sterrenstelsel te vormen.  Dat kan dus niet kloppen.

We staan dus voor een raadsel: metingen uit de deeltjesfysica zijn onverenigbaar met kosmologische waarnemingen.  Mogelijke antwoorden leiden ongetwijfeld tot uitbreidingen van het Standaardmodel.  We kunnen bv. op zoek gaan naar "CP"-breking in de sterke wisselwerking op bij leptonen.  Een vierde familie quarks zou eveneens een veel sterkere "CP"-schending kunnen veroorzaken.  Theorieën zoals Supersymmetrie blijken ook mechanismen te bevatten die tot meer "CP"-schending leiden.  Maar voorlopig zijn daar allemaal geen experimentele aanwijzingen voor.  Vandaar dat nieuwe experimenten zo belangrijk zijn: hopelijk zullen we binnenkort eindelijk eens begrijpen waarom er in het heelal voldoende materie aanwezig is om sterrenstelsels, sterren en planeten te maken.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (5)  Geef uw reactie!

18. December 2008, 20:51

Het is alweer even geleden dat ik mijn laatste bericht postte.  Ik was de afgelopen twee weken dan ook in CERN.  Dit was natuurlijk het moment om even de camera van EOS te gebruiken en enkele beelden te filmen van de CMS-detector.  Doordat de LHC-versneller nog steeds stil ligt, is onze detector weer bereikbaar.  Het resultaat kun je hieronder bekijken.

 

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

08. December 2008, 18:36

Ondanks het feit dat de Large Hadron Collider momenteel stil ligt voor herstellingen, zitten we bij het CMS-experiment niet met onze duimen te draaien.  We zullen van de verplichte "rustpauze" gebruik maken om een aantal kleine herstellingen uit te voeren, wettelijk verplichte onderhoudstaken te vervullen en nog enkele extra componenten te installeren.  Hierbij geldt natuurlijk de regel "If it ain't broke, don't fix it!":  We moeten altijd zorgvuldig nagaan of wat we doen ook een betere detector oplevert en wat het risico van de interventie is.

Maar vermits onze detector in september klaar stond voor de start van de LHC, besloten we om eerst eens te kijken waar die toe in staat is.  Zelfs zonder versneller is het perfect mogelijk om gegevens te verzamelen: we worden immers voortdurend bestookt door elementaire deeltjes die uit de ruimte komen: de zgn. kosmische straling.  Tijdens de maanden oktober en november heeft de CMS-detector bijna onafgebroken data genomen met het magnetisch veld dat de deetljes moet afbuigen op vole kracht.  Voor die speciale "run", bedachten we trouwens een leuk acroniem: "Cosmic Run At Four Tesla" - CRAFT.  Dat het een succes was, kan je hieronder zien.  De figuur toont enkele signalen van kosmische straling gedetecteerd door de CMS-detector. 

De figuur geeft de structuur van de CMS-detector weer, met in het midden sporenkamers die trajecten van deeltjes detecteert, daarrond calorimeters die hun energie meet en daarrond muonkamers.  De kosmische straling die tot op het aardoppervlak doordringt bestaat voornamelijk uit muonen.

Dergelijke metingen zijn erg nuttig voor het op punt stellen van de detector.  Aangezien de kosmische deeltjes een continu traject volgen, kan je er de verschillende delen van de detector mee aligneren en calibreren.  We hebben ook enkele kleinere problemen gevonden, die we nu allemaal gaan verhelpen tijdens de shutdown.  Het goede nieuws is echter dat geen enkel van deze problemen het nemen van goede data zou hebben verhinderd indien de LHC nu botsingen zou produceren.  De CMS-detector is dus volledig operationeel!

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

03. December 2008, 21:46

Het gaat soms snel.  In een van mijn vorige berichten had ik het over de resultaten van PAMELA en ATIC die zouden kunnen geïnterpreteerd worden als een signaal voor donkere materie.  En nu zijn er al enkele wetenschappers (waaronder Douglas Finkbeiner) die een nieuwe theorie hebben ontwikkeld voor deze donkere materie.  Ze publiceerden hun bevindingen onlangs op een pre-print server.

Donkere materie bestaat per definitie uit deeltjes die wel gevoelig zijn aan de gravitatiekracht, maar niet interageren met licht - en dus onzichtbaar zijn. Zoals ik eeder al uitlegde is de hypothese van donkere materie nodig om sommige kosmologische observaties te verklaren.

Het uitgangspunt van Douglas Finkbeiner en zijn collega's is dat als je aanneemt dat er een ganse resem donkere-materiedeeltjes bestaat die je nog niet ontdekt hebt, je er dan ook maar beter ook vanuit gaat dat er ook nieuwe krachten bestaan die op de donkere-materiedeeltjes werken. Donkere krachten als het ware...

Net als de vier bekende fundamentele natuurkrachten (gravitatie, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten), zouden deze nieuwe donkere krachten ook overgedragen worden door krachtdeeltjes. Finkbeiner en zijn collega's berekenden dat zo'n donker krachtdeeltje een massa zou moeten hebben die kleiner is dan de massa van een proton.  De donkere kracht zou ook aantrekkend moeten zijn, zodat trage donkere-materiedeeltjes elkaar kunnen invangen en annihileren tot bv. elektron-positron paren.  Op die manier kunnen ze met hun theorie de resultaten van PAMELA, ATIC en enkele andere experimenten verklaren.  

Achteraf is het altijd gemakkelijk praten.  Als je al weet welke waarnemingen er moeten verklaard worden, is het gemakkelijker om een gepaste theorie uit te docteren.  Veel belangrijker is om ook nieuwe voorspellingen te maken.  Dit doen Finkbeiner en zijn collega's ook.  Ze stellen kosmologische observaties voor die hun theorie kunnen bevestigen of ontkrachten.  Ook de LHC zou het bestaan van de donkere krachtdeeltjes kunnen aantonen.  Iets om in het oog te houden dus.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

02. December 2008, 21:35

Net nog een bericht gekregen van onze "spokesman" - dat is de grote baas van ons experiment - de herstart van de Large Hadron Collider (LHC) blijkt nog niet voor meteen te zijn.

Zoals jullie allicht wel weten heeft er zich 9 dagen na de start van de LHC een incident voorgedaan.  Een van de supergeleidende verbindingen tussen twee magneten ontwikkelde plots een weerstand. Op dat moment liep er een stroom van 8700 Ampère door, met als gevolg dat de verbinding simpelweg verdampt is.  Daarop onstond er een boogontlading die een gat brandde in een van de buizen die de vloeibare helium vervoert met een temperatuur van -271 graden Celsius.  Er kwam dan op korte tijd 2 ton vloeibare helium vrij in de tunnel die een normale kamertemperatuur heeft.  Dat veroorzaakte dan weer een schokgolf die meerdere magneten uit hun hengsels rukte.  Daarna lekte er nog eens 4 ton helium in de tunnel.

Na het incident moest eerst de hele sector "34" weer op kamertemperatuur gebracht worden om te kunnen onderzoeken hoe groot de schade precies was.  Het opwarmen gaat aan 10 graden/dag, dus moesten we zo'n maand wachten.  Dan werd pas echt duidelijk hoe groot de schade was.  39 van de reusachtige dipoolmagneten (15m lang, 35 ton zwaar) zullen naar de oppervlakte gebracht worden voor herstelling.  Eerst moeten ze onder de grond 6 km afleggen tot de enige schacht die groot genoeg is om de magneten te laten passeren. Om de reis onder de grond veilig te laten verlopen moesten ook sector "23" en sector "12" deels opgewarmd worden.

Het plan is om alle 39 magneten voor Kerstmis naar boven te halen en tegen dan ook al 20 magneten terug te plaatsen.  De laatste magneet zou teruggeplaatst worden tegen eind maart.  En dan moet de versneller weer afgekoeld worden, moeten er allerlei testen gebeuren, enz.  Al bij al brengt ons dit tot juli 2009, vooraleer opnieuw gedacht kan worden aan een herstart van de versneller. Heel dit tijdschema wordt nog dagelijks aangepast.  Ondertussen zijn ook technieken ontwikkeld om weerstanden in de elektrische verbindingen vroegtijdig (bij lage stroomsterkte) op te sporen en zo een herhaling van dit incident te voorkomen.  Er zijn ook plannen voor grondigere aanpassingen, maar daarvoor zou de hele ring moeten worden opgewarmd, wat een hoop problemen met zich meebrengt, niet in het minst het feit dat er geen mogelijkheid is om al het vloeibare helium uit de LHC te stockeren.

De reparatie zal zo'n 10 miljoen euro kosten, plus nog eens 10 miljoen euro om de reserve-magneten te vervangen die nu gebruikt worden in plaats van de beschadigde magneten.

Ondertussen kijken wij, de wetenschappers die de experimenten bij de LHC bouwden, dit alles met lede ogen aan.  Onze grote concurrent, de TEVATRON-versneller in Fermilab nabij Chicago, draait ondertussen op volle toeren.  Een van de experimenten daar zou trouwens net een nieuwe ontdekking gedaan hebben.  Het resultaat wordt echter nog erg betwist: ongeveer een derde van de 800 wetenschappers die aan het experiment meewerken, wou hun naam niet onder de publicatie van deze resultaten zetten. Indien het resultaat toch correct zou zijn, is het mogelijk te verklaren door het bestaan drie nieuwe deeltjes, die voorspeld worden door sommige modellen voor donkere materie.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (0)  Geef uw reactie!

29. November 2008, 13:57

Ons heelal is zo'n 13,7 miljard jaar oud.  Maar hoe groot is het heelal precies?  Simpel toch, zou je denken: aangezien niets sneller kan dan het licht, is de grootst mogelijk afstand toch gelijk aan de lichtsnelheid vermenigvuldigd met 13,7 miljard jaar en dus 13,7 miljard lichtjaar?  Euh... nee.  Het ligt iets moeilijker.

Eerst even dit: als we het over het heelal hebben, bedoelen we meestal het waarneembare heelal.  Het kan immers best zijn dat er delen van het heelal zo ver van ons verwijderd zijn, dat licht binnen de levensduur van het heelal nog niet voldoende tijd heeft gehad om ons te bereiken.  In werkelijkheid kan het zijn dat het fysische heelal groter is dan het waarneembare heelal.  Het fysische heelal kan echter ook kleiner zijn; in dat geval zouden veraf gelegen sterrenstelsels copiën kunnen zijn van dichterbij gelegen stelsels waarvan het licht het heelal "via de andere kant" heeft rondgereisd en nu pas bij ons terecht komt.

Maar waarom ligt de grens van het waarneembare heelal dan niet op 13,7 miljard lichtjaar van ons?  Wel, het probleem is dat gedurende de tijd dat het licht naar ons toe kwam, het heelal verder is uitgedijd.  Dat betekent dat de vraag "Hoe groot is het heelal?" wat preciezer moet gesteld worden.  

Je zou bv. kunnen vragen:

"Hoe ver is een lichtbron waarvan het licht ons pas nu bereikt vandaag van ons verwijderd ?" 

Of je zou kunnen vragen

"Hoe ver was een lichtbron waarvan het licht ons pas nu bereikt van ons verwijderd op het moment dat het licht werd uitgezonden?"  

 Of je zou ook kunnen vragen

"Welke afstand heeft het licht afgelegd dat door een lichtbron werd uitgezonden waarvan het licht ons pas nu bereikt?".

Alleen op de laatste vraag is het antwoord 13,7 miljard lichtjaar.  Om op de eerste twee vragen te antwoorden moet je een kosmologisch model gebruiken dat de uitdijing van het heelal beschrijft.  Het zgn. Lambda-CDM model is tegenwoordig nogal populair.  Als je dit model volgt, dan kan je uitrekenen dat de afstand tussen de lichtbron en de aarde (of tenminste het materiaal waaruit de aarde later zou ontstaan) op het moment dat het licht werd uitgezonden slechts 36 miljoen lichtjaar bedroeg.  Omdat het heelal ondertussen verder is uitgedijd is de afstand tussen de lichtbron (of wat er van geworden is) en de aarde vandaag 46 miljard lichtjaar. Dit laatste getal wordt normaal gebruikt als de huidige straal van het waarneembare heelal.

Dit brengt ons schijnbaar meteen opnieuw in de problemen, want hoe kan een object bijna 46 miljard lichtjaar afleggen in slechts 13,7 miljard jaar?  Dan moet het toch sneller dan het licht bewegen?  Dit schijnt in tegenstrijd te zijn met de beperkte (of speciale) relativiteitstheorie.  

Het punt is dat de beperkte relativiteitstheorie enkel geldig is in een vlakke ruimte-tijd (de zgn. Minkowski-ruimte).  Het echte heelal heeft een gekromde ruimte-tijd en dat heeft als gevolg dat je enkel in onze onmiddellijke omgeving een (rechthoekig) Minkowski-referentiestelsel kan gebruiken om afstanden en tijdsduren te meten.  Voor kosmologische afstanden moet je de algemene relativiteitstheorie gebruiken.

Het beeld van een ballon met stippen die wordt opgeblazen kan helpen om dit beter te begrijpen.  Stel dat een mier over de ballon loopt.  Zelf loopt de mier nooit erg snel, maar als je na enige tijd de afstand meet die ze heeft afgelegd, is die veel groter dan je zuiver op basis van haar snelheid t.o.v. de ballon zou verwachten.  Lokaal, in een klein gebiedje rondom een stip, kan je een rechthoekig assenstelsel gebruiken, maar globaal niet.  In geen enkel lokaal referentiestelsel worden er snelheden groter dan het licht gemeten, maar omdat de ballon zelf echter opblaast, kan het zijn dat sommige stippen wel met een snelheid groter dan het licht van elkaar weg bewegen.

Zo gaat het ook in werkelijkheid. In hun lokaal Minkowski-referentiestelsel zijn veraf gelegen sterrenstelsels (bijna) in rust.   Ze gaan dus zeker niet sneller dan het licht en er is geen contradictie met de beperkte relativiteitstheorie. Maar omdat de ruimte zelf groter wordt, bewegen veraf gelegen sterrenstelsels wel met een snelheid groter dan het licht van ons weg.

Geschreven in Algemeen  Vaste link  Reacties : (3)  Geef uw reactie!