Nobelprijs voor Natuurkunde voor onderzoek naar zwarte gaten

De Brit Roger Penrose, de Duitser Reinhard Genzel en de Amerikaanse Andrea Ghez mogen zich voortaan winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde noemen. De Koninklijke Zweedse Academie voor Wetenschappen bekroonde het drietal dinsdagmiddag voor hun baanbrekende bijdragen aan het onderzoek naar zwarte gaten.

Illustratie: Niklas Elmehed © Nobel Media.

Naast eeuwige roem ontvangen de laureaten oo

k de mooie geldsom van 10 miljoen Zweedse kronen (afgerond 950.000 euro). De helft daarvan gaat naar Penrose, de andere helft wordt netjes verdeeld tussen Ghez en Gensel.

Het Nobelprijscomité looft Penrose voor zijn “ontdekking dat de vorming van zwarte gaten een robuuste voorspelling is van de algemene relativiteitstheorie”, terwijl Genzel en Ghez de hoogste wetenschappelijke onderscheiding te danken hebben aan hun “ontdekking van een superzwaar compact object in het centrum van ons sterrenstelsel”.

Van mathematische fictie naar fysische realiteit

De intussen 89-jarige Penrose heeft in de afgelopen decennia een indrukwekkende staat van dienst opgebouwd en is nog steeds actief als professor emeritus van de Universiteit van Oxford. Penrose is evenwel niet de oudste winnaar: Arthur Ashkin was 96 toen hij de prijs in 2018 wegkaapte. Het citaat van het Nobelprijscomité verwijst naar het werk dat hij in de jaren 1960 verrichtte omtrent zwarte gaten.

Van bijzonder belang is een publicatie van Penrose uit 1965, waarin hij wiskundig bewees dat het bestaan ervan rechtstreeks volgt uit de relativiteitstheorie. Einstein zelf had ze tot aan zijn dood in 1955 veeleer als wiskundige constructies beschouwd dan er fysische realiteit aan toe te kennen.

Penrose werkte in die periode overigens nauw samen met de betreurde Stephen Hawking. Het Nobelprijscomité erkent ook expliciet de bijdrage van Hawking, maar een Nobelprijs mag nu eenmaal nooit postuum uitgereikt worden.

Het ABC van zwarte gaten

Zwarte gaten zijn dermate compacte objecten dat hun zwaartekracht zelfs licht gevangen houdt. Daardoor kan je ze niet rechtstreeks waarnemen en moet je hun bestaan afleiden uit hun impact op de omgeving. Maar voor zover iemand nog aan hun bestaan twijfelde, geldt de iconische foto uit 2019, waarop je de donkere silhouet van een zwart gat ziet tegen een achtergrond van gloeiend gas, als voldoende sterke aanwijzing. Het blijft een fascinerende prestatie van de menselijke geest dat je vanop louter theoretische grondslag het bestaan kan voorspellen van een exotisch object als een zwart gat.

Dit beeld uit april 2019 staat bekend als ‘de foto van een zwart gat’. De onderzoekers die het tot stand brachten, werden zelf ook getipt als kandidaat-Nobelprijswinnaars.

Ondertussen hebben wetenschappers achterhaald dat zwarte gaten ontstaan in de eindfase van de levensloop van zware sterren. Wanneer de ster alle brandstof erdoor gejaagd heeft, stort de kern van de ster in onder haar eigen gewicht. Bij sterren als de zon levert dit een witte dwerg op, bij wat zwaardere exemplaren een neutronenster, terwijl de zwaarste instorten tot een zwart gat. Deze stellaire zwarte gaten hebben typisch enkele tot enkele tientallen keren de massa van de zon.

Superzware zwarte gaten

Maar in de kern van sterrenstelsels treffen sterrenkundigen ook enorme objecten aan van miljoenen tot zelfs miljarden keren de massa van de zon. Daarover gaat het onderzoek van Genzel, directeur van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, (Duitsland) en tevens professor aan de University of California, Berkeley (VS) en Ghez, professor aan de University of California, Los Angeles (VS).

Uit de baanbewegingen van sterren in het centrum van de Melkweg, het sterrenstelsel waartoe wij behoren, leidden zij het bestaan af van een onzichtbaar en uitermate zwaar object. Dat kan volgens Genzel en Ghez niets anders zijn dan een supermassief zwart gat. Deze kanjer, Sagittarius A* genaamd, heeft een massa van meer dan vier miljoen keer die van de zon.

Hoe deze supermassieve zwarte gaten tot stand komen, blijft één van de meest prangende vragen uit de hedendaagse sterrenkunde. De eenvoudigste verklaring zou luiden dat ze gevormd zijn uit ‘gewone’ zwarte gaten die verder zijn blijven groeien door steeds meer omliggende sterren en andere objecten op te slokken. Maar wetenschappers hebben er intussen ontdekt die ontstaan zijn toen het heelal nog geen miljard jaar oud was. En dat is veel te snel, zelfs voor een hongerig zwart gat.

Rolmodel

Maar Genzel en Ghez hoeven die vraag vandaag niet te beantwoorden. Nu mogen ze eerst even genieten van hun bijzondere erkenning. Ghez is nog maar de vierde vrouw die de nobelprijs fysica in de wacht sleept, na de legendarische Marie Curie in 1903, Maria Goeppert Mayer in 1963 en Donna Strickland in 2018.

In een eerste officiële reactie toonde ze zich meteen bewust van haar rolmodel voor vrouwelijke wetenschappers: “Ik ben verheugd dat ik de prijs in ontvangst mag nemen en neem de verantwoordelijkheid die ermee gepaard gaat zeer ernstig”. En verder: “Ik hoop dat ik andere jonge vrouwen kan inspireren. Dit onderzoeksdomein verschaft zoveel genoegen en als je gepassioneerd bent door wetenschap valt er nog zoveel in te doen”.

Zo komen planetaire nevels aan hun betoverende vormen

Planetaire nevels kunnen allerlei kleuren en vormen aannemen. Waarom de ene de gedaante van een schijf aanneemt, de andere spiraalvormig oogt en nog een andere bipolair, bleef tot dusver grotendeels onverklaard. Tot nu.

Beeld: Stellaire winden rond koele, oudere sterren. De collage toont een variatie aan vormen als schijven, kegels en spiralen. Blauw gekleurd materiaal komt naar ons toe, rood materiaal beweegt van ons weg. (L. Decin, ESO/ALMA)

Sterren als de zon slijten hun oude dag als een witte dwerg, een lichtzwak hemellichaam niet groter dan de aarde, dat enkel nog wat thermische straling uitzendt. Voor het zover is, zijn ze eerst opgezwollen tot een rode reus. Om af te slanken van rode reus tot witte dwerg ontwikkelt zich een sterrenwind waarmee de ster stromen van deeltjes uitstoot.

Zolang de centrale ster voldoende energie uitstraalt, licht de omhullende uitgestoten stermaterie op en spreken we van een planetaire nevel. Een wat misleidende naam, maar wat je zag door het soort telescopen waarover sterrenkundigen zoals William Herschel aan het eind van de 18de eeuw beschikten, leek nu eenmaal sterk op planeten.

Schijven en spiralen, maar geen bollen

Betere telescopen toonden een indrukwekkende variëteit aan kleuren en vormen van planetaire nevels. De kleuren lieten zich vrij eenvoudig verklaren. Het licht van de centrale ster ioniseert de uitgestoten deeltjes. Die zenden op hun beurt licht uit, met een kleur die afhangt van de chemische samenstelling. 

Maar de veelheid aan vormen valt niet zomaar te verklaren. Aangezien een ster bolvormig is, klinkt het aannemelijk dat de sterrenwinden evenzeer bolvormig zijn. Alleen zou je dan verwachten dat ook de oplichtende nevel bolvormig is. Wat duidelijk niet het geval is.

‘We zagen dat deze sterrenwinden allesbehalve symmetrisch of rond waren. Sommige waren schijfvormig, andere bevatten spiralen. In een derde groep konden we kegels onderscheiden’

Een team van sterrenkundigen besloot een intensieve waarnemingscampagne van sterrenwinden op te zetten. Daarvoor konden ze beschikken over het ALMA Observatorium in Chili, de grootste radiotelescoop ter wereld. Ze keken naar de sterrenwinden van veertien sterren in een fase die net aan de vorming van planetaire nevels voorafgaat. Dat leidde tot een grote, gedetailleerde verzameling van observaties van sterrenwinden, iets wat tot dan toe nog nooit gebeurd was.

Dankzij die campagne  kunnen we de aanname van bolvormige sterrenwinden naar de prullenmand verwijzen. Sterrenkundige Leen Decin (KU Leuven), hoofdauteur van de studie die op 18 september in het vakblad Science verscheen: ‘We zagen dat deze sterrenwinden allesbehalve symmetrisch of rond waren. Sommige waren schijfvormig, andere bevatten spiralen. In een derde groep konden we kegels onderscheiden.

Verleden herzien

Daarmee vond het team vormen die vrij goed vergelijkbaar met die van planetaire nevels. Zo begrijpen we dan wel hoe de vorm van een planetaire nevel uit de sterrenwind ontstaat, maar hebben we het probleem dan niet gewoon verlegd? Want waarom zijn de sterrenwinden niet bolvormig, terwijl ze toch door bolvormige sterren geproduceerd zijn?

Dat bracht de onderzoekers tot een andere hypothese: de vervorming van de sterrenwind is het gevolg van de aanwezigheid van een begeleider. Die is te klein en lichtzwak om waar te nemen. Het kan een andere lichte ster zijn, of een (zware) planeet. Decin vergelijkt het effect met een alledaags verschijnsel:  ‘Net zoals je in een tas koffie met wat melk een spiraalvormig patroon kan creëren met je lepel, zuigt de metgezel materiaal naar zich toe terwijl hij rond de ster draait en vormt zo de sterrenwind.’

‘Net zoals je in een tas koffie met wat melk een spiraal kan creëren met je lepel, zuigt de metgezel materiaal naar zich toe terwijl hij rond de ster draait’

Een modelmatige analyse bevestigde deze hypothese. ‘Al onze waarnemingen kunnen worden verklaard door het feit dat de sterren een metgezel hebben’, zegt Decin. Voor de aardigheid lieten de onderzoekers hun model ook eens draaien voor de zon. Over 7 miljard jaar mag je je volgens Decin en co verwachten aan een zwakke spiraalvorm in de sterrenwind. Met dank aan Jupiter en Saturnus.

Een lang openstaand raadsel oplossen is op zich al mooi genoeg. Maar Decin denkt een stap verder.  ‘Onze bevindingen veranderen heel wat. Aangezien er in het verleden geen rekening werd gehouden met de complexiteit van sterrenwinden, kan elke eerdere schatting van het massaverlies van oude sterren tot een factor 10 verkeerd zijn.’

‘Al onze waarnemingen kunnen worden verklaard door het feit dat de sterren een metgezel hebben’

En als we het massaverlies van stervende sterren tot dusver systematisch verkeerd ingeschat hebben, moeten we misschien wel cruciale eigenschappen van stellaire en kosmische evolutie herbekijken. Het team is meteen aan de slag gegaan met een vervolgstudie.

Drievoudig stersysteem trekt planeetvormende schijf krom

Jarenlange observaties tonen het verwoestend effect van een meervoudig stersysteem op de planeetvormende schijf eromheen. Onderzoek naar het stersysteem GW Orionis levert aanwijzingen op voor een nieuwe populatie van exoplaneten.

Foto: De ringstructuur in de schijf rond GW Orionis

Vijfentwintig jaar geleden was de ontdekking van een exoplaneet – een planeet buiten het zonnestelsel – nog wereldnieuws. Intussen staat de teller op meer dan 4000 bevestigde exemplaren en is iedere sterrenkundige ervan overtuigd dat dit nog maar het topje van de ijsberg is.

Het proces van planeetvorming is in grote lijnen bekend. Uit een oorspronkelijke wolk van gas en stof ontstaat een ster. Het resterend materiaal nestelt zich in een schijf, loodrecht op de draairichting van de jonge ster. Dichtheidsfluctuaties doen het materiaal in deze ‘protoplanetaire’ schijf lokaal samenklonteren. Hieruit ontstaan uiteindelijk planeten die zich allemaal in hetzelfde baanvlak bevinden.

Meervoudige stersystemen

Maar minstens de helft van de sterren heeft één of meer begeleiders. Wat gebeurt er in dat geval met die protoplanetaire schijf? Dat is waar GW Orionis in het verhaal komt. Dit systeem bestaat uit drie sterren, die zich niet in hetzelfde vlak bevinden. Omdat het om jonge sterren gaat, is hun schijf nog prominent aanwezig.

Een internationaal team van astronomen, waaronder Jacques Kluska en Cyprien Lanthermann van het Instituut voor Sterrenkunde van de KU Leuven, volgt dit systeem reeds sinds 2008. Waarnemingen met de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) tonen het verwoestend effect van deze stellaire ménage à trois op de schijf. De schijf is vervormd en opgebroken in verschillende ringen.

Computersimulaties

Het aardige van het onderzoek, dat vorige week in Science verscheen, is dat de wetenschappers de waargenomen verscheuring van de schijf ook theoretisch kunnen verklaren. Computersimulaties tonen hoe de zwaartekrachtsdans van de drie sterren de schijf inderdaad laat uiteenvallen in verschillende ringen, waarbij zelfs de vorm van de binnenste ring overeenkomt met de observaties.

De interesse van de onderzoekers gaat vooral uit naar de binnenste ring. Die staat gekanteld ten opzichte van de oorspronkelijke stofschijf. Teamleider Stefan Kraus, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Exeter: ‘Onze beelden tonen een extreem geval waarbij de schijf niet plat is, maar kromgetrokken, en een ring vertoont die zich uit de schijf heeft losgemaakt’.

Rechts: de binnenste ring werpt een schaduw over de rest van de schijf. Links: een artistieke impressie van het centrale deel van de schijf, inclusief de ring (zie ook onderstaande video om dit in een animatie te zien).

Nieuwe klasse exoplaneten

De onderzoekers leidden uit hun waarnemingen af dat er voor 30 aardmassa’s stof aanwezig is in die binnenste ring. Meer dan genoeg om enkele exoplaneten uit te boetseren. Die zouden een specifiek profiel hebben, aangezien ze op wijde, gekantelde banen bewegen. De jacht op de exoplaneten rond GW Orionis is daarmee geopend.

GW Orionis zou dan model kunnen staan voor een wellicht vaker voorkomend verschijnsel in het heelal. Het team rond Kraus hoopt op de Extremely Large Telescope, de opvolger van de VLT die rond 2025 in werking moet treden, om deze mogelijke nieuwe klasse van exoplaneten verder te exploreren.

Deze ster is de nieuwe snelheidsduivel van de Melkweg

Opgezweept door een kolossaal zwart gat, racen sterren om het hardst rond het centrum van de Melkweg. De nieuwe snelheidskampioen luistert naar de naam S4714 en haalt een topsnelheid van 24.000 km per seconde. Dat is 8% van de lichtsnelheid.

Vijf nieuwe sterren bij Sgr A* ontdekt, waaronder twee mogelijke 'squeezars': Het groen kruis duidt de ligging aan van SgrA*. Tot vorig jaar was S2 de snelst bekende ster. Intussen zijn sterren gevonden die nog dichter bij het centrum van de Melkweg staan en er nog sneller rond draaien.

Veel sterrenstelsels herbergen een knoert van een zwart gat in het centrum. Zo ook onze eigen Melkweg. Het object staat bekend als Sagittarius A* (de “*” mag je uitspreken als “ster”), of kortweg Sgr A*, met een massa van 4 miljoen keer die van de zon. In vergelijking met andere sterrenstelsels houdt ons monster zich behoorlijk gedeisd. Maar het houdt wel een heleboel sterren gevangen in een krachtig gravitatieveld. Die macabere dans van de sterren en het zwart gat maakt het ook interessant om de theorie van squeezars te toetsen en de relativiteitstheorie nog maar eens op de pijnbank te leggen.

Moeilijke klus

Een Duits onderzoeksteam van de Universiteit van Keulen onder leiding van sterrenkundige Florian Peissker heeft zich toegelegd op de studie van deze sterren, die in een sterk uitgerekte ellipsvormige baan om Sgr A* draaien. Dat is een hele klus, want de buurt rond het centrum van de Melkweg is behoorlijk dichtbevolkt en bovendien belemmeren stofwolken het zicht.

Maar met een goede telescoop, verfijnde technieken om gegevens te analyseren en engelengeduld kom je al een heel eind ver. Peissker: ‘Ik ben blij dat ik de afgelopen 7 jaar het centrum van de Melkweg heb kunnen bestuderen met de Very Large Telescope. Je moet bedreven zijn in datareductie, een scherpziend oog hebben, en verder een snuifje geluk en veel tijd’.

Nieuwe snelheidskampioen

Intussen is het oogsten begonnen voor Peissker en zijn collega’s. Vorig jaar veegden ze de ster S2 van de recordtabel. Met een snelheid van 3% van de lichtsnelheid moest ze de duimen leggen tegen S62, die een snelheid van 6,7% van de lichtsnelheid haalt. Deze maand was het hek helemaal van de dam: in een publicatie in The Astrophysical Journal stelt de groep rond Peissker in één trek maar liefst vijf snellere sterren voor.

De nieuwe recordhouder heet S4714, rond Sgr A* scherend aan 8% van de lichtsnelheid. Ter vergelijking: de zon draait met een snelheid van 230 km/s rond het centrum van de Melkweg, S4714 gaat met 24.000 km/s zowat 100 keer sneller. Maar Peissker maakt zich sterk dat ook de kampioenenstatus van S4714 van tijdelijke aard zal zijn.

Ideaal testmateriaal

De ontdekking van dit soort snelheidsduivels opent de weg naar interessante wetenschappelijke tests. In 2003 voorspelden sterrenkundigen op theoretische grond het bestaan van “squeezars”. Deze sterren draaien in een sterk elliptische baan om een supermassief zwart gat – check – waarbij de getijdenwerking van het zwart gat per rondje wat baanenergie uit de ster knijpt en omzet in warmte. Anders uitgedrukt, een squeezar begint wat feller te schijnen, maar is gedoemd om richting monster te spiraleren.

Meer nog dan S4714 is een andere van die vijf, S4711 een topkandidaat squeezar. Als de bevestiging volgt, leren sterrenkundigen bij over de interactie tussen zwarte gaten en hun stellaire prooi.

Daarnaast kan je met dit soort sterren nog scherpere tests van de algemene relativiteitstheorie uitvoeren. De vroegere kampioen S62 bevestigde alvast Einsteins theorie, maar de nieuwe helden zoals S4711 en S4714 laten in de nabije toekomst nog scherpere tests toe.

Peissker laat zijn Melkwegcentrum alvast niet meer los: ‘Deze dynamische omgeving is voor wetenschappers als een snoepwinkel voor kinderen’.

Ongrijpbaar licht ‘temmen’, Brusselse wetenschappers lukte het

Onderzoekers van de Vrije Universiteit Brussel en Harvard University zijn er voor het eerst in geslaagd om nabije-veld licht, dat is licht dat aan oppervlakten blijft kleven, vorm te geven.

Wanneer het over onzichtbaar licht gaat, denk je spontaan aan licht met golflengten die buiten het gebied van het zichtbaar licht vallen, zoals ultraviolet, infrarood, microgolven of X-stralen. Maar er bestaat ook licht dat we niet zien omdat het ons oog nooit bereikt. Neem bij voorbeeld een spiegel. Hoe perfect je die ook maakt, er blijft steeds een klein restje van de invallende straling kleven aan de het spiegeloppervlak. Dit heet het nabije-veld licht. Je kan het vergelijken met de druppeltjes die aan de wand van je glas blijven plakken nadat je het leeggedronken hebt.

Een klein effect met groot toepassingsbereik

Het klinkt als een leuk weetje, maar het is veel meer dan dat. Wanneer je de wereld van het allerkleinste wil onderzoeken met een optische microscoop, kan je geen structuren bestuderen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht van je microscoop. Of als je licht door een optische vezelkabel wil jagen, moet de diameter ervan minstens even groot zijn als de golflengte van het licht.

Met het nabije-veld licht kan je deze beperkingen evenwel omzeilen en informatie vergaren op een schaal die kleiner is dan de golflengte. Daar wordt vandaag al handig gebruik van gemaakt in de ultrahoge-resolutiemicroscopie. Maar het potentieel is aanwezig voor een veel bredere waaier van toepassingen, gaande van deeltjesmanipulatie over optische communicatie en gegevensopslag tot moleculaire detectie die de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen faciliteert.

Belangrijke stap

Om dat potentieel te benutten, moet je dat nabije-veld licht wel kunnen sturen, net zoals je de ons vertrouwde lichtstralen manipuleert met lenzen, telescopen, prisma’s en hologrammen. Een groep onderzoekers heeft nu een flinke stap vooruit gezet op dat vlak. Op 24 juli publiceerden ze de resultaten van een nieuwe methode in Science.

‘Na elke stuitering verandert het licht van vorm en plant het zich voort met een ander ruimtelijk patroon’

Vincent Ginis, hoofdauteur en professor aan de Vrije Universiteit Brussel en gastprofessor aan Harvard legt uit: ‘We ontwikkelden een component waarin licht doorheen een golfgeleider beweegt. Hierin stuitert het licht heen en weer. Na elke stuitering verandert het licht van vorm en plant het zich voort met een ander ruimtelijk patroon. Wanneer alle verschillende patronen van het nabije-veld licht over elkaar heen worden gelegd, ontstaat er een specifieke vorm.’

Het nabije-veld licht gestructureerd in de vorm van een olifant in een boa-constricor. Of was het een hoed?

Die specifieke vorm laat zich voorprogrammeren door de amplitude van de fase van het stuiterende licht aan te passen. Ginis: ‘Het is een beetje als muziek. De muziek die je hoort bestaat uit een rij van vele noten die door een componist in patronen zijn samengevoegd. Het geluid van één noot alleen is erg vlak, maar met veel noten samen kun je prachtige muziek genereren. Terwijl muziek in de tijd werkt, werkt onze licht-component in een driedimensionale ruimte. Het extra intrigerende aspect van onze techniek is dat de ene noot als het ware de andere genereert.’

Met een knipoog naar Le Petit Prince structureerden Ginis en zijn collega’s het nabije-veld licht in de vorm van een olifant in een boa-constricor. Of was het een hoed?

Dit is de eerste foto van een zonachtige ster met planeten

Voor het eerst hebben sterrenkundigen een rechtstreeks beeld kunnen maken van een planetensysteem rond een ster die ongeveer dezelfde massa heeft als de zon.

TYC 8998-760-1 is een ster die zich op iets meer dan driehonderd lichtjaar van ons bevindt. We noemen ze ‘zonachtig’ omdat ze precies dezelfde massa heeft als de zon. Binnen het onderzoek naar exoplaneten gaat er steevast speciale aandacht uit naar sterren die zoveel mogelijk op de zon lijken. Per slot van rekening is het de enige ster waarvan we zeker weten dat ze een planeet heeft waarop leven voorkomt. TYC 8998-760-1 is wel een piepjonge versie van de zon: amper 16,7 miljoen jaar tegenover de 4,5 miljard jaar van onze zon.

Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is heel zeldzaam

De meeste exoplaneten worden onrechtstreeks gedetecteerd, als een storing op de beweging van de ster of een periodieke dip in de hoeveelheid uitgestraald sterlicht. Maar als het even kan, neem je een exoplaneet toch liefst rechtstreeks waar. Dat lukt niet vaak, omdat het licht van een exoplaneet vele keren zwakker is dan het sterlicht. Meerdere planeten rond een ster via directe waarneming strikken is al helemaal zeldzaam.

Je hebt er immers niet alleen een krachtige telescoop voor nodig, ook de configuratie van het planetenstelsel is van belang. In het bijzonder heb je reuzenplaneten nodig die voldoende ver van de moederster staan. Een groep sterrenkundigen, waaronder Maddalena Reggiani, postdoctoraal onderzoeker aan de KU Leuven, keek met de Very Large Telescope (Chili) en zag dat TYC 8998-760-1 aan die voorwaarden voldoet. De exoplaneten TYC 8998-760-1 b en TYC 8998-760-1 c hebben 14 respectievelijk 6 keer de massa van Jupiter en bevinden zich op een (geprojecteerde) afstand van 160 respectievelijk 320 keer de afstand aarde-zon.

De ster TYC 8998-760-1 en de twee reuzenplaneten die haar begeleiden. Credits: ESO/Bohn et al.

Reggiani: “Ons team is erin geslaagd het eerste beeld te maken van twee gasreuzen die rond een jonge, zonachtige ster draaien”. Op de afbeelding bevindt de moederster zich linksboven (de ringen errond zijn een optisch artefact), TYC 8998-760-1 b links van het midden en TYC 8998-760-1 c, te zien als een rode stip, rechtsonder.

Alexander Bohn (Universiteit Leiden), die de studie leidde, vult aan: “Deze ontdekking is een momentopname van een omgeving die sterk gelijkt op ons zonnestelsel, maar dan in een pril evolutiestadium”. Beide gasreuzen zijn een soort oversized versie van Jupiter en Saturnus. Of TYC 8998-760-1 nog andere planeten bevat, is nog even koffiedik kijken. Maar wie wat geduld heeft kan wachten op de opvolger van de Very Large Telescope, de Extremely Large Telescope, die vanaf 2025 met nog scherpere blik naar TYC 8998-760-1 kan kijken.

Bohn, Reggiani en de overige leden van het team publiceerden hun resultaten op 22 juli in The Astrophysical Journal Letters.

Is tijd niet continu, maar korrelig?

Wat is tijd? Die vraag is hetzelfde lot beschoren als zo veel filosofische vragen: de wetenschap heeft er intussen gretig beslag op gelegd. Natuurkundigen onderzoeken onder meer de structuur ervan: verloopt tijd continu of vertoont ze een korrelige structuur? In het laatste geval bedraagt een tijdkorrel volgens Amerikaanse theoretische fysici hooguit 10-33 seconden.

Tot in het begin van de twintigste eeuw betwijfelde niemand dat er zoiets als een absolute klok bestaat. Dat is wat je intuïtief verwacht. Op elke gebeurtenis die zich voordoet in het heelal moet je (minstens in principe) ondubbelzinnig en objectief een tijdstempel kunnen kleven.

Maar intuïtie kan een slechte raadgever zijn in de moderne natuurkunde. Ze berust op het gedrag van de werkelijkheid op onze schaal, maar de natuur durft al eens tegenvoets te pakken op andere schalen.

Vervormbare tijd

Dat hebben we geweten toen Einstein op het toneel verscheen. Eerst met de speciale, daarna de algemene relativiteitstheorie. Tijd blijkt relatief en vervormbaar. Snelheid en massa kunnen tijd uitrekken of indrukken alsof het een stukje plasticine is. Een tweeling waarvan de ene terugkeert na een ruimtereis in een supersnelle raket, is niet meer even oud als de achtergebleven andere.

En de relativiteitstheorie heeft intussen al zoveel testen met glans doorstaan dat er niet aan te ontkomen valt.

… of toch niet?

Hoe vreemd is het dan niet dat dat andere succesnummer uit de natuurwetenschap, de kwantumfysica, tijd wel overal en altijd aan hetzelfde tempo ziet wegtikken? Is tijd nu relatief en vervormbaar of absoluut en universeel?

Over één aspect van tijd lijken relativiteitstheorie en kwantumfysica het wel eens: tijd stroomt. Het is een continue grootheid die alle waarden aanneemt tijdens het verstrijken.

Maar intussen is ook dat niet meer zo zeker.

Incompatibele theorieën

De spanning tussen relativiteitstheorie en kwantumfysica gaat dieper dan de vraag naar de aard van tijd. Verwoede pogingen ten spijt, raakt Einsteins theorie over zwaartekracht niet ingepast in het Standaardmodel van elementaire deeltjes, dat voortbouwt op de kwantumfysica. Nochtans zijn de voorspellingen van elk van beide theorieën afzonderlijk respectievelijk al honderd en vijftig jaar lang stuk voor stuk met haast griezelige nauwkeurigheid bevestigd.

Theoretische natuurkundigen zoeken daarom al een hele poos naar een alternatief om kwantumtheorie en gravitatie te verzoenen. Een mogelijke sleutel hiertoe zou erin bestaan om uit te gaan van een gekwantiseerde ruimtetijd.

Tijd is dan niet langer continu. Er zou een kleinste tijdseenheid bestaan, een tijdkorrel. De tijd gedraagt zich daarbij als de fysische versie van een mechanische klok. Zoals een mechanische klok seconde na seconde wegtikt, zou ook de tijd telkens naar een volgende waarde verspringen, in plaats van continu te verglijden.

Hoe groot is een tijdkorrel?

Garrett Wendel, Luis Martínez and Martin Bojowald, theoretische natuurkundigen verbonden aan de Pennsylvania State University, hebben dit concept van korrelige tijd verder uitgewerkt in een model1. Ze behandelen de tijd net als andere grootheden in de hedendaagse fysica: als een alomtegenwoordig veld. Bojowald: ‘Net als bij voorbeeld het higgsveld, kan de fundamentele klok interageren met de materie in het heelal en daardoor fysische verschijnselen wijzigen’.

Samen met zijn collega’s modelleerde hij de universele klok als een oscillator, die hij in het model koppelt met een tweede oscillator, die je in het lab kan meten, zoals een atoomklok. Door de koppeling beginnen beide oscillatoren langzaam te desynchroniseren, een effect dat volgt uit de relativiteitstheorie. Het onderzoeksteam kon hieruit afleiden dat de periode van de universele klok zeker niet langer kan zijn dan 10-33 seconden.

Als tijdkorreltjes inderdaad zo klein zijn, en tijd dus zo snel verspringt, is het normaal dat wij niets van die korreligheid merken. Net zomin als we bij een film in de gaten hebben dat we naar een snelle opeenvolging van statische beelden kijken.

Hersenspinsel of werkelijkheid?

Vaak is het probleem met dit soort fundamenteel theoretisch onderzoek dat je onmogelijk empirisch kan testen of de theorie het niveau van hersenspinsel overstijgt en ook echt de werkelijkheid beschrijft.

Maar op dit punt is de aanpak van ons trio uit Pennsylvania veelbelovend. Op zich kan je een snel tikkende klok met een periode van 10-33 seconden niet bestuderen in een lab. Nu niet, morgen niet en overmorgen niet. Maar door te kijken naar het effect van desynchronisatie op een gekoppeld systeem dat je wel in het lab kan onderzoeken, zoals een atoomklok, zou je er onrechtreeks toch informatie over kunnen vergaren langs experimentele weg.

1. verder uitgewerkt in een model In Physical Review Letters, 19 juni 2020.

CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

CERN wil een nieuwe megaversneller bouwen

Op 19 juni verleende de Raad van CERN unaniem haar goedkeuring aan de update van de Europese Strategie voor deeltjesfysica. Blikvanger in dit strategisch plan is de bouw van een heuse “higgsfabriek”, een superdeeltjesversneller van honderd kilometer lang die de huidige Large Hadron Collider (LHC) op termijn moet vervangen. Prijskaartje: 21 miljard euro.

Sinds 1975 beschikken we met het Standaardmodel van de elementaire deeltjesfysica over een theorie die de werking van de sterke, zwakke en elektromagnetische kracht beschrijft. Elke voorspelling die het model maakt, vindt experimentele bevestiging, soms met haast intimiderende precisie. De zeventien deeltjes elementaire deeltjes waaruit de werkelijkheid volgens het Standaardmodel is opgebouwd, werden, voor zover ze nog niet bekend waren, één na één ontdekt in de loop van de twintig jaar na de formulering van het Standaardmodel.

Hogere energieën

Behalve het higgsboson. Dat deeltje vervult een speciale rol. Er is een veld mee geassocieerd dat de hele ruimte vult en deeltjes die er vatbaar voor zijn als het ware massa verleent. Drie wetenschappers, waaronder de Belg Englert, hadden het bestaan ervan al in 1964 op theoretische grond voorspeld. De LHC, een ringvormige deeltjesversneller van 27 km lang, deels in Zwitserland gelegen, deels in Frankrijk, werd voornamelijk gebouwd om dit langverwachte, maar ongrijpbare deeltje te pakken te krijgen. Het CERN in Genève schreef dan ook geschiedenis toen het higgsdeeltje in 2012 daadwerkelijk ontdekt werd. François Englert en Peter Higgs hielden er in 2013 een Nobelprijs aan over (de derde, Robert Brout, is in 2011 helaas overleden).

Maar om het higgsboson meer in detail te kunnen bestuderen, wil de Raad van CERN nog hogere energieën opwekken. Vandaar het plan om een ring van 100 km te bouwen, waarin een elektron-positronversneller, de ‘higgsfabriek’, moet komen. Je zou dan geen jaren moeten speuren naar een higgsdeeltje, maar ze aan de lopende band kunnen produceren en bestuderen. De bouw ervan zou kunnen starten in 2038, wanneer de upgrade van de huidige LHC tot High-Luminosity LHC een jaartje of tien heeft kunnen draaien.

In een tweede fase zou er dan een proton-protonversneller komen om nog hogere energieën op te wekken. Die moet botsingsenergieën van 100 teraelektronvolt (TeV) opwekken, te vergelijken met de huidige 16 TeV van de LHC. Daarmee zouden we dan minstens nieuwe deeltjes moeten vinden, met een uitbreiding van het Standaardmodel tot gevolg. En wie weet stoten we zelfs op een nog diepere laag van de werkelijkheid, met echt nieuwe fysica tot gevolg.

‘Historische dag’

Ambitie en enthousiasme troef, dus. CERN-directeur Fabiola Gianotti was dan ook in haar nopjes na de gunstige stemming van de Raad: ‘Ik denk dat dit een historische dag is voor CERN en de deeltjesfysica’.

Voor het zover is, valt er evenwel nog veel uit te klaren op wetenschappelijk, technisch en financieel vlak. De huidige goedkeuring slaat ook enkel op de verdere uitwerking van het plan, de finale beslissing over de bouw van de nieuwe versneller is nog niet aan de orde. Het geschatte prijskaartje van 21 miljard euro zal het Europese CERN alvast nog meer naar een wereldwijde onderzoeksinstelling doen evolueren.

Maar niet iedere wetenschapper deelt de hoerastemming van de CERN-Raad. Onder meer de Duitse theoretische natuurkundige Sabine Hossenfelder, die wel vaker tegen de stroom durft in te gaan, plaatst een flinke kritische noot bij de megalomane plannen van het CERN. Dat heeft alles te maken met de niet ingeloste verwachting dat de LHC veel meer zou ontdekken dan het higgsdeeltje.

Het Standaardmodel is de beste theorie van de werkelijkheid die de mens ooit ontwierp, maar ze weet zich geen raad met de donkere energie en donkere materie in het heelal en krijgt de vierde natuurkracht, zwaartekracht, niet ingepast. De theoretici hadden na lang zwoegen een prachtige oplossing gevonden: supersymmetrie. Ieder deeltje zou een superpartner hebben, detecteerbaar door de LHC. Maar de LHC vond helemaal niets.

Moeten we ons niet eerst grondig beraden over de vraag waarom de wetenschappelijke machine stokt, vooraleer we duizelingwekkende bedragen uitgeven om in het wilde weg naar diepere lagen van de werkelijkheid te graven?

Superzware zwarte gaten in het jonge heelal

Een nieuwe theorie zou eindelijk kunnen verklaren hoe superzware zwarte gaten zich zo snel in het vroege heelal hebben gevormd.

Een jaar geleden veroorzaakte een astronomisch nieuwtje een wereldwijde deining in de media. Onderzoekers hadden een afbeelding gemaakt van het zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel M87. Of liever: van de grens rond het zwart gat waarbinnen niets nog kan ontsnappen, de waarnemingshorizon.

Vervolg: zie Eos Magazine, ed. 07-8, 2020

Kosmische ‘zaklamp’ spoort raadselachtige materie op

Zowat de helft van de zichtbare (‘baryonische’) materie onttrekt zich aan onze waarnemingen. Maar nu lijkt het ‘probleem van de verborgen baryonen’ opgelost. Met dank aan mysterieuze heldere, korte radioflitsen. En aan pientere astronomen die deze flitsen als kosmische zaklantaarn gebruikten. 

Eén van de meest fascinerende inzichten van de hedendaagse kosmologie is dat onze kennis over het heelal zich beperkt tot 5 procent ervan. Donkere energie gaat met 68 procent aan de haal, terwijl donkere materie goed is voor 27 procent van de energie-inhoud van onze kosmos. De aard van die donkere energie en donkere materie houdt kosmologen al geruime tijd uit hun slaap.

Iets minder bekend, maar daarom niet minder raadselachtig, is dat zelfs zowat de helft van die 5 procent tot dusver voor ons verborgen blijft. Het gaat om ‘normale’ – in het jargon baryonische – materie, waaruit niet alleen wijzelf, maar ook gaswolken, sterren, planeten, kometen en andere hemellichamen opgebouwd zijn.

Jean-Pierre Macqaurt, als hoogleraar radiosterrenkunde verbonden aan de Curtin University in Australië, J. Xavier Prochaska, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz  en hun collega’s zijn ervan overtuigd dat ze het ‘probleem van de verborgen baryonen’ nu opgelost hebben.

Gasslierten tussen sterrenstelsels als schuilplaats

Het aandeel van deze baryonische materie halen we uit schattingen op basis van de komische achtergrondstraling – de nagloed van de Oerknal – en onze theorie over de vorming van atoomkernen (nucleosynthese) in de beginfase van het heelal. Maar wanneer we de baryonische materie vervat in sterrenstelsels bij elkaar harken, vinden we dus beduidend minder dan verwacht.

Macquart: “We vonden nog niet de helft van wat er aan baryonische materie zou moeten zijn in het heelal. Behoorlijk pijnlijk. Maar de ruimte is dan ook bijzonder ijl. De ontbrekende baryonen komen overeen met één of twee atomen in een doorsnee kantoorruimte. Geen wonder dat je ze met traditionele technieken en telescopen niet detecteert.”

Het vermoeden dat de ‘verborgen baryonen’ zich in gasslierten tussen sterrenstelsels ophouden, kreeg de afgelopen jaren bevestiging door quasars, bronnen van X-straling en de kosmische achtergrondstraling als natuurlijke lichtbron te gebruiken. Zonder meer een mooi resultaat, maar bij elk van deze technieken krijg je slechts stukjes en brokjes van deze aandachtschuwe baryonen zien.

Fast Radio Bursts als kosmische zaklantaarn

Het team van Macqaurt en Prochaska heeft daar nu verandering in gebracht. Ze zijn er voor het eerst in geslaagd om een betrouwbare kwantitatieve schatting te maken van de hoeveelheid verborgen baryonen. Dat deden ze door gebruik te maken van Fast Radio Bursts (FRB’s)Dit zijn heldere lichtflitsen, afkomstig van buiten ons melkwegstelsel. Geen mens die weet wat aan de basis ligt van die gigantische energie-uitbarstingen die nauwelijks enkele milliseconden duren.

Maar in dit verhaal bewijzen ze ons een mooie dienst. De vermiste baryonen in de gasslierten tussen sterrenstelsels verstrooien het licht van de FRB’s als een prisma. Hoe meer materie het pad van de lichtflits kruist, hoe meer verstrooiing. Als je die verstrooiing meet en de afstand tot de bron van de FRB kan achterhalen, bekom je de dichtheid van de materie in de gasslierten. Dit lukte door de ASKAP-radiotelescoop in Australië te combineren met de Very Large Telescope in Chili.

Door dit procedé op een zestal FRB’s uit verschillende sterrenstelsels toe te passen, ontstaat volgens de onderzoekers een voldoende betrouwbaar beeld van de totale baryonische materiedichtheid in het heelal. Al had het voor andere astronomen toch net iets meer mogen zijn.

En het mag wel een keertje meezitten: de onafhankelijk verkregen meetwaarde is helemaal consistent met wat je verwacht op basis van de kosmische achtergrondstraling en de nucleosynthese in het vroege heelal. Het lijkt er dan ook op dat deze ‘opsporing verzocht’ na twintig jaar zijn beslag gekregen heeft.

De bevindingen zijn op 27 mei 2020 gepubliceerd in Nature.