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.

Amerika herontdekt de ruimte met Crew Dragon-vlucht

Al wekenlang keek het ruimtevaartwereldje reikhalzend uit naar woensdagavond. Dan zou SpaceX, in samenwerking met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, voor het eerst een bemande ruimtevlucht lanceren. De lancering werd vanwege slechte weersomstandigheden op het laatste moment uitgesteld naar zaterdag. 

Dan hijsen de ervaren NASA-astronauten Robert ‘Bob’ Behnken en Douglas ‘Doug’ Hurley zich aan boord van de ruimtecapsule Crew Dragon. Testvlucht Demo-2 moet hen veilig naar het internationaal ruimtestation ISS loodsen. 

Als er één sterveling is die je niet voor grijze muis kan verslijten, moet het Elon Musk zijn. De ene dag haalt de ietwat excentrieke bezieler en CEO van SpaceX het nieuws door zijn zoon de onuitspreekbare naam X Æ A-Xii mee te geven, wenkbrauwenfronsende tweets te versturen of vrijuit over zijn functioneel drugsgebruik te praten. De andere dag vergapen we ons aan de haast gemillimeterde landingen van de raket Falcon 9 of aan de spectaculaire satelliettreintjes die hij rond de aarde brengt om ook de verste uithoeken van de wereld van internet te voorzien.

Tussendoor vervaardigt hij Tesla’s, waarvan er momenteel zelfs eentje in het zonnestelsel rondtoert, wil hij met een hyperloop (een soort vacuümtrein) en een tunnelnetwerk het mobiliteitsprobleem oplossen, pakt hij de klimaatopwarming aan met zonne-energie, beoogt hij met supersonische elektrische vliegtuigen een snellere en milieuvriendelijkere luchtvaart en droomt hij ervan Mars te koloniseren.

Douglas Hurley en Robert Behnken.

Een nieuw elan

Het hoeft dan ook niet te verbazen dat zijn SpaceX meteen op de kar sprong van NASA’s Commercial Crew Program, waarmee de Amerikaanse luchtvaartorganisatie zichzelf heruitvindt door de handen in elkaar te slaan met commerciële partners. Voor het eerst sinds de pensionering van de Space Shuttle in 2011, vertrekken er terug astronauten vanop Amerikaanse bodem naar de ruimte. In de afgelopen jaren moesten de VS steevast zitjes kopen op de Russische Soyoez-ruimtevaartuigen.

De generale repetitie vond plaats van 2 tot 8 maart 2019. Testvlucht Demo-1 deed toen ook al een retourtje Aarde-ISS met een Crew Dragon. Maar dat was met Ripley aan boord, een pop-in-astronautenpak. De Demo-2 met echte astronauten had daar in de loop van 2019 op moeten volgen. Maar op 20 april 2019 liep er iets fout tijdens een reeks motortesten, waardoor de eerste bemande testvlucht vertraging opliep.

Als het weer even meezit, is het deze keer echter wel prijs. Gezagvoerder Hurley, joint operations commander Behnken en de hele ploeg van medewerkers van SpaceX en NASA zijn er alvast helemaal klaar voor. De lancering vanop lanceercomplex 39A van het Kennedy Space Center in Florida stond gepland op woensdag, maar er werd uitgeweken naar zaterdag om 21:22 uur onze tijd.

Op zoek naar de vlag

Maar kijk deze keer niet uit naar de typische uitbundige taferelen bij een succesvolle missie, want ook de ruimtevaart ontsnapt niet aan de coronamaatregelen. De NASA heeft de ruimtevaartliefhebbers opgeroepen om niet naar de lanceerbasis af te zakken, maar de gebeurtenis social distancing-gewijs op het TV-kanaal van NASA te volgen.

Zowat 19 uur na de lancering moet de Crew Dragon bij het ISS aankomen en kunnen Hurley en Behnken na de koppeling met het ISS handjes schudden met de bemanning van het ruimtestation. Wanneer ze terugkeren, staat nog niet vast. Wat wel vaststaat, is dat ze de Amerikaanse vlag mee naar huis nemen. De Stars and Stripes werd in 2011 achtergelaten in het ISS door de bemanning van de laatste missie van NASA’s ruimteveer. Tekende toen ook reeds present: Doug Hurley.

Mijlpaal richting Mars?

Met de samenwerking tussen NASA en SpaceX slaan de Amerikanen drie vliegen in één klap. Ze hebben een alternatief nu het vertrouwen in Sojoez een knauw gekregen heeft na enkele incidenten met de capsule en raket. Daarmee breken ze ook de monopolypositie van de Russen om astronauten te vervoeren, wat zich vertaalde in een stevig prijskaartje per zitje. En tot slot is er uiteraard de herwonnen trots om niet langer op een andere mogendheid aangewezen te zijn.

En voor SpaceX zou het vooral een belangrijke mijlpaal betekenen, die Musks droom van een bemande missie naar Mars weer een stapje dichterbij brengt.

Nieuwe theorie verklaart raadselachtig ruimteobject ‘Oumuamua

Nee, het is geen ruimteschip van aliens, zoals de befaamde sterrenkundige Avi Loeb eerder opperde.

Het sigaarvormig object ‘Oumuamua dat in oktober 2017 door ons zonnestelsel flitste, is een brokstuk van een hemellichaam dat rond een andere ster draaide. En er te dicht bij kwam. Het hemellichaam werd aan flarden gerukt. Eén van de brokstukken, ‘Oumuamua, werd tot in ons zonnestelsel gekatapulteerd.

In ons zonnestelsel tref je een bont allegaartje van objecten aan in allerhande groottes en vormen. Maar al gauw werd duidelijk dat het object dat de STARRS1-telescoop op 20 oktober 2017 vanop een berg in Hawaï in het vizier kreeg, een echte vreemde snuiter was.

Ongeveer niets klopte aan dit droog object met rotsachtig oppervlak. De vreemde vorm, die aan een sigaar doet denken. De versnelde bewegingscomponent, kenmerkend voor kometen, die gas uitstoten en zo een stuwkracht krijgen als bij een raket. Maar in dit geval zonder de kenmerkende gasstaart. En de gekke tuimelbeweging die het maakt.

Eerste boodschapper van ver

Al snel groeide de consensus dat het een interstellair object moest zijn, afkomstig van een ander zonnestelsel. Vandaar de naam ‘Oumuamua, Hawaïaans voor ‘eerste boodschapper van ver’. De kans dat zo’n object ons zonnestelsel doorkruist, is echter zo gering dat sommigen er meer in zagen. Volgens de befaamde sterrenkundige Avi Loeb kon het best wel eens om een sonde van alienmakelij gaan.  

Maar in wetenschap is de spectaculairste verklaring doorgaans niet de juiste. En met ‘Oumuamua is het niet anders. Althans volgens een publicatie die op 13 april in Nature Astronomy verscheen.

Yun Zhang (National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences) en Douglas Lin (University of California) vertrokken van een dynamisch model waarbij een hemellichaam in een ellipsbaan rond een ster draait.  Met behulp van computersimulaties konden ze daarmee een reconstructie maken van het wedervaren van ‘Oumuamua.

Rondtollen in de interstellaire ruimte

De film begint bij het oorspronkelijk hemellichaam dat op een bepaald ogenblik te dicht bij de ster nadert. Daardoor slaat de getijdenwerking van de ster ongenadig toe. De ster versplintert het hemellichaam door veel harder aan de dichtstbijgelegen kant te trekken dan aan de overzijde. Ze  rekt daarbij de brokstukken uit tot een sigaarvorm. Eén daarvan is onze ‘Oumuamua.

De simulaties laten zien hoe overblijfselen als ‘Oumuamua tijdens dit heftig proces van de ster weggekatapulteerd worden om zich chaotisch rondtollend een weg doorheen de interstellaire ruimte te banen. Het oppervlak van ‘Oumuamua, aanvankelijk gesmolten en gedroogd door de hitte van de ster, is intussen afgekoeld en gecondenseerd.

Zo vormt zich een stabiele, droge, rotsachtige korst, waarbinnen bepaalde gassen, zoals waterdamp, afgeschermd zitten. Tijdens de passage door het zonnestelsel ‘ontwaken’ ze door de warmte van de zon om via nauwelijks te detecteren uitgassing de waargenomen komeetachtige versnellingen verklaren.

Honderdduizend miljard “andere ‘Oumuamuas”

Rest nog de vraag hoe waarschijnlijk het is dat ‘Oumuamua net in onze buurt opduikt. Zhang: “Gemiddeld genomen zou elk planetenstelsel zowat honderdduizend miljard objecten zoals ‘Oumuamua in de ruimte moeten slingeren”. Dat duizelingwekkend aantal maakt het meteen een flink stuk aannemelijker dat er eens eentje ons zonnestelsel doorkruist.

De bevindingen van Zhang en Lin kunnen daarmee zowat alle kenmerken van ‘Oumuamua coherent verklaren vanuit die ene gebeurtenis, de te dichte nadering van het oorspronkelijk hemellichaam tot de ster. Dat hemellichaam kan volgens hun model eender welke grootte aannemen tussen een komeet en een planeet. Ook de ster kan net zo goed volop actief zijn als een uitgedoofde witte dwerg. Daarmee zou het mechanisme veelvuldig kunnen optreden.

Maar de toekomst moet nog uitwijzen in hoeverre ‘Oumuamua model staat voor andere interstellaire objecten. Sinds de ontdekking in 2017 zijn interstellaire objecten in één klap ‘hot’ geworden. In augustus 2019 werd een tweede interstellair object ontdekt, 2I/Borisov, de verwachting is dat er nog heel veel zullen volgen. Het moet in de toekomst zelfs lukken om er een sonde naar toe te sturen, zodat we een veel gedetailleerdere analyse kunnen maken.

De studie van interstellaire objecten moet uiteindelijk meer inzicht verschaffen in het ontstaan en de evolutie van planeetsystemen. En stiekem hopen we er natuurlijk ooit sporen met biologische signatuur op aan te treffen.

Weten we eindelijk hoe snel het heelal uitdijt?

Kosmologen breken zich al een tijdje het hoofd over de vraag hoe snel het heelal uitdijt. Verschillende meetmethodes leveren verschillende resultaten op. De Zwitserse fysicus Lucas Lombriser denkt dat hij de oplossing gevonden heeft.

De oerknaltheorie maakt al een tijdje deel uit van onze culturele bagage. We leven in een universum dat 13,77 miljard haar geleden ontstond. Volgens de grondlegger ervan, de Leuvense hoogleraar Georges Lemaître, gebeurde dat op ‘een dag zonder gisteren’, want ruimte en tijd zouden samen met het heelal ontstaan zijn. Vrijwel onmiddellijk na die oerknal werd ons pasgeboren heelal heel kortstondig enorm opgeblazen, waarna het verder is blijven uitzetten en afkoelen. Dat uitzetten betekent dat er voortdurend, ook nu nog, nieuwe ruimte bijgemaakt wordt.

In dat verband worstelen kosmologen al een tijdje met twee problemen. Het eerste gaat over de vraag waarom het heelal na zowat 9 miljard jaar plots steeds sneller is beginnen uitdijen, terwijl je net het omgekeerde zou verwachten. Dit proces is nu al 5 miljard jaar aan de gang. Donkere energie zou hiervoor verantwoordelijk zijn.

Krenten in een rijzend brood

Het tweede probleem gaat over de vraag hoe snel het heelal op een bepaald ogenblik, bijvoorbeeld nu, uitdijt. Op het eerste gezicht valt dit reuze mee, want de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble vond een eenvoudig empirisch verband tussen de afstand tot een sterrenstelsel en de snelheid waarmee het van ons wegvliegt. De bijhorende wet van Hubble-Lemaître stelt: hoe verder het sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe sneller het van ons weg beweegt. Je kan je de sterrenstelsels in een uitdijend heelal voorstellen als krenten in een rijzend brood. Als je voor enkele krenten de snelheid en afstand ten opzichte van ‘onze’ krent meet, rolt de snelheid waarmee het brood rijst eruit.

Uiteraard laat de afstand tussen twee krenten zich net iets makkelijker meten dan de afstand tot een ver sterrenstelsel. Maar vernuftige astronomen hebben door de jaren heen voldoende middeltjes bedacht om tot vrij nauwkeurige afstandsbepalingen tussen sterrenstelsels te komen. Als je het allemaal goed en wel doorrekent, bekom je een waarde van 73,3 km/s per Megaparsec. In mensentaal uitgedrukt: een sterrenstelsel dat zich op 1 Megaparsec – dat is 3,26 miljoen lichtjaar of in kilometer uitgedrukt een 3 met 19 nulletjes – van ons bevindt, beweegt met een snelheid van 73,3 km per seconde van ons weg. Een sterrenstelsel dat twee keer zo ver weg staat, vliegt met 146,6 km/s van ons weg.

Wat is dan het probleem? Dat wetenschappers “een streverstrekje” hebben. In plaats van zich tevreden te stellen met dit resultaat, moesten ze zo nodig een tweede, onafhankelijke manier ontwikkelen om deze snelheid van uitdijen te bepalen. Dat deden ze aan de hand van de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal.

Resultaat: 67,4 km/s per Megaparsec. Dat is een verschil van ongeveer 10%, ver boven wat je zou kunnen verklaren als een onnauwkeurigheid op de metingen. Zeker omdat steeds nieuwere en accuratere metingen de kloof bestendigen in plaats van dichten. Deze ‘Hubblespanning’ zorgt voor de nodige dramatiek in het wereldje van de kosmologen: ‘de kosmologie verkeert in crisis’. Is er iets grondig mis met ons model van de kosmos?

Bel van lage massadichtheid

Niet als het aan Lucas Lombriser ligt. Deze professor theoretische fysica van de Universiteit van Genève komt in het vaktijdschrift Physics Letters B langs theoretische weg met een verklaring op de proppen voor deze vreemde discrepantie. Wat als ons sterrenstelsel, de Melkweg, ingebed is in een bel van lage massadichtheid? Dan zouden we er systematisch naast zitten in het bepalen van de afstand tot andere sterrenstelsels. Hij berekende dat je overeenstemming vindt met de waarde van de tweede methode (via de kosmische achtergrondstraling), 67,4 km/s per Megaparsec, als je veronderstelt dat we met onze Melkweg deel uitmaken van een gebied van het heelal, 250 miljoen lichtjaar in doorsnee, waarin de massadichtheid de helft bedraagt van de karakteristieke waarde voor het heelal.

Rest natuurlijk de vraag hoe groot de kans is om een dergelijke zone van halve massadichtheid aan te treffen in het heelal. De berekeningen van Lombriser leggen die kans tussen 5% en 20%. Een bemoedigend resultaat, vindt hij: “Dit betekent dat het niet zomaar een fantasietje van een theoreticus is. Het heelal is zo immens dat er heel wat van dergelijke gebieden moeten voorkomen.” Als Lombriser gelijk heeft, hoeven onze kosmologische modellen nog niet meteen op de schop.

Jacht op donkere materie levert gouden tip op

Een deeltje met de ietwat aparte naam d*(2380), kortweg d-ster, zorgt voor opwinding onder wetenschappers. Nadert de zoektocht naar de aard van donkere materie zijn ontknoping?

Een hexaquark is samengesteld uit zes quarks.

Vraag een natuurkundige naar de belangrijkste onopgeloste problemen in de fysica en de vraag ‘wat is donkere materie?’ zit er sowieso bij. We weten al decennialang dat er van de materie zoals wij die kennen, opgebouwd uit protonen en neutronen, veel te weinig is om de waargenomen baanbeweging van sterren en sterrenstelsels te verklaren. Recenter bevestigden metingen van de kosmische achtergrondstraling en het effect van gravitatielenzen deze conclusie. Het heelal moet een flinke dosis van een extra ingrediënt bevatten, goed voor maar liefst 80 tot 85 procent van alle massa in het heelal. Het is net als ‘normale’ materie onderhevig aan de gravitatiekracht, maar gaat geen wisselwerking aan met licht, waardoor het voor ons onzichtbaar (‘donker’) blijft.

De zoektocht naar die mysterieuze kosmische smaakmaker houdt wetenschappers dan ook danig in de ban. Doorheen de jaren hebben ze tevergeefs een hele stoet kandidaten voorgesteld, van exotische deeltjes tot zwarte gaten. Precisie-instrumenten diep onder de grond proberen sporen van zeldzame interacties tussen donkere en normale materie op te vangen. En het zet sommige theoretische natuurkundigen, zoals de Nederlander Erik Verlinde, zelfs aan om de fundamenten van de fysica te herdenken: misschien bestaat donkere materie wel helemaal niet, maar denken we dat op basis van een onzuiver beschrijvingsmodel van de werkelijkheid.

Een nieuw spoor

Maar een echte doorbraak laat op zich wachten. Tot dusver althans, want Dr. MIkhail Bashkanov and Professor Daniel Watts, beiden verbonden aan het fysicadepartement van de University of York, hopen daar nu verandering in te brengen. Ze raakten geïntrigeerd door het in 2014 ontdekte deeltje d*(2380), kortweg d-ster. Waar protonen en neutronen uit drie quarks bestaan, is dit ongewoon deeltje een hexaquark: samengesteld uit zes quarks. Omdat het uit een even aantal quarks bestaat, is het een boson, een klasse van deeltjes met eigenschappen die behoorlijk verschillen van fermionen, waartoe het elektron, neutron en proton behoren.

Waar we nu onze deeltjesversnellers tot het uiterste moeten drijven om deze hexaquark aan te treffen, voeren Bashkanov en Watts in een publicatie in de Journal of Physics G Letters aan dat d-ster in de beginfase van het heelal in ruime mate geproduceerd werd. Toen het heelal begon af te koelen en uit te dijen, waren de omstandigheden volgens beide onderzoekers gunstig om deze bosonen te laten samenklonteren tot een zogenaamd Bose-Einstein condensaat, ook wel de vijfde aggregatietoestand genoemd (na vast, vloeibaar, gas en plasma).

In die toestand verliezen de afzonderlijke deeltjes hun identiteit en gedraagt het hele systeem zich alsof het één groot deeltje met een reeks merkwaardige eigenschappen was. “Onze eerste berekeningen geven aan dat dat een condensaat van d-sterdeeltjes een bruikbare kandidaat is voor donkere materie”, aldus Watts.

Als de onderzoekers gelijk hebben, betekent dit meteen ook dat het bestaande theoretisch kader van de fysica overeind blijft. Dit geldt als bijkomende troef. Want hoewel het voor de buitenwereld best spannend klinkt om de fysica 100 jaar na Einstein en de kwantumfysica opnieuw op z’n kop te zetten, levert het huidig theoretisch kader zo veel en zo verbluffend nauwkeurige overeenkomsten op met de empirische werkelijkheid dat veel natuurkundigen ze niet graag op de schop zien gaan.

Volgende stap

Hoe bemoedigend de eerste resultaten ook zijn, Bashkanov en Watts beseffen dat er nog een hele weg te gaan is. Bashkanov: “In de volgende stap moeten we een beter begrip krijgen van de interactie tussen d-ster hexaquarks – wanneer ze elkaar afstoten en wanneer aantrekken”. Hun onderzoek illustreert ook mooi het samenspel tussen experiment en theorie in de wetenschap. Na de experimentele ontdekking van het deeltje, volgde het theoretisch werk van Bashkanov en Watts. Maar nu is het woord opnieuw aan het experiment. Bashkanov opnieuw: “We werken aan nieuwe metingen om d-ster hexaquarks te maken binnen in een atoomkern, om na te gaan of hun eigenschappen dan anders zijn dan in vrije toestand”.

Daarnaast stellen ze ook onderzoeksstrategieën voor om de signatuur van het d*(2380)-condensaat in het heelal op te sporen. Vooral telescopen die naar X- en gammastralen kijken, moeten toelaten om het voorkomen van dit condensaat empirisch te toetsen.

Kans op water op exoplaneet K2-18b neemt toe

Op 11 september 2019 haalde exoplaneet K2-18b het nieuws: onderzoekers hadden aanwijzingen gevonden dat er zich waterdamp bevindt in de atmosfeer ervan. Op 27 februari 2020 vatten onderzoekers van de University of Cambridge de resultaten van verder onderzoek als volgt samen: “Er bestaat een realistische kans dat K2-18b bewoonbaar is”.

Met een nieuw ontdekte exoplaneet haal je al een tijdje het nieuws niet meer. Daar zijn de meer dan 4000 bevestigde exemplaren verantwoordelijk voor. Toen het eenmaal duidelijk werd dat het heelal krioelt van de exoplaneten, verschoof de aandacht al snel naar degene die zich in het goudlokjegebied van hun ster bevinden, waar de temperatuur niet te hoog en niet te laag is om vloeibaar water toe te laten. Want uiteindelijk wil je toch vooral weten of er leven is in het heelal. En bij gebrek aan concreet alternatief lijkt de aanwezigheid van vloeibaar water de beste indicator om leven aan te treffen.

Maar daar wringt het schoentje: het is niet omdat de temperatuur in het goudlokjegebied vloeibaar water toelaat, dat er ook effectief water aanwezig is. Maar in combinatie met de aanwijzing dat er zich waterdamp in de atmosfeer van K2-18b bevindt, klonk het meteen al een stuk spannender.

Kritiek

Al wekte de poeha rond K2-18b ook de nodige irritatie op. Laura Kreidberg, als sterrenkundige verbonden aan de Harvard University, vroeg zich in een blog op de webstek van Scientific American af of de concurrentie tussen twee onderzoeksgroepen niet voor een opbod aan straffe claims zorgde, waarbij de wetenschappelijke nuance ondergesneeuwd raakte. In het bijzonder luidde de verwachting van Kreidberg dat K2-18b, qua grootte en dichtheid eerder een Neptunusachtige dan een aardeachtige exoplaneet, een zo zware en uitgebreide atmosfeer moest hebben dat de druk en temperatuur eronder geen vloeibaar water toelaten.

Nieuwe studie

Nikku Madhusudhan en zijn collega’s van de University of Cambridge vroegen zich af wat ze met de huidige waarnemingsgegevens aan de weet kunnen komen over de structuur van K2-18b. Zoals gebruikelijk voor een planeet met een dichtheid tussen die van de aarde en Neptunus, ging het onderzoeksteam in het algemeen uit van een planeetstructuur met vier lagen: een kern met eerst een laag van ijzer en daarrond een rotsachtige laag, vervolgens een laag met water en tot slot een gasvormige atmosfeer met voornamelijk waterstof en helium.

Door de atmosferische eigenschappen van K2-18b te combineren met de massa en straal van dit hemellichaam, krijg je dan beperkingen op deze structuur. Nu staat het onderzoek naar de samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet weliswaar nog in de kinderschoenen. Maar het onderzoeksteam van Madhusudhan kon er toch informatie over vergaren door gegevens van de ruimtetelescopen Kepler, Spitzer en Hubble Space Telescope bijeen te harken.

Resultaten

Een belangrijke bevinding van Madhusudhan luidt dat je in tegenstelling tot Kreidbergs verwachting geen substantiële enveloppe van waterstof en helium nodig hebt om de dichtheid van K2-18b te verklaren. De massa van deze enveloppe zou ergens fluctueren tussen verwaarloosbaar weinig tot 6% van de totale massa van de exoplaneet.

Verder blijken verschillende scenario’s compatibel met de eigenschappen van K2-18b. Interessant daarbij is dat K2-18b in één van die toegelaten scenario’s een waterplaneet is, met een temperatuur van rond de 300 K (ca. 27°C), met een druk tussen 1 en 10 bar.

De onderzoekers vonden tevens opmerkelijk minder CH4 en NH3 in de atmosfeer dan verwacht. Dit wijst op chemisch onevenwicht. Biochemische processen kunnen tot een dergelijk onevenwicht leiden, al zijn er zeker ook andere, minder spectaculaire oorzaken.

Wat betekent dit?

De ontdekking is in twee opzichten relevant. In de eerste plaats bevestigt ze dat K2-18b een topkandidaat is om nauwkeuriger te bestuderen met de volgende generatie ruimtetelescopen die veel gedetailleerdere informatie zullen opleveren over de samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten. Behoudens nieuw uitstel zou de James Webb Space Telescope in 2021 gelanceerd moeten worden.

Maar belangrijker nog is dat we onze zoektocht naar waterplaneten niet hoeven te beperken tot aardeachtige exemplaren. Dat vergroot niet alleen de groep van mogelijk levensvatbare exoplaneten, het maakt de zoektocht er ook makkelijker op, aangezien grotere exoplaneten beter te bestuderen vallen.

Zeilrace naar de sterren

De viering van 50 jaar maanlanding brengt de verkenning van de ruimte weer in beeld. In het komende decennium willen we meermaals terug naar de maan en in de jaren 2030 volgt er mogelijk een nog reusachtigere leap for mankind met een bemande missie naar onze buurplaneet Mars.

Mission impossible?

Maar sinds we weten dat het heelal wemelt van de exoplaneten, blijft de ultieme droom om een ruimtetuig naar een ander zonnestelsel te sturen. Michel Mayor, kersvers Nobelprijswinnaar Natuurkunde vanwege zijn ontdekking van de eerste exoplaneet rond een ‘normale’ ster, ziet het echter niet meteen gebeuren.

Afstanden in de ruimte zijn immers dermate groot dat een ruimtetuig snelheden in de buurt van de lichtsnelheid moet halen om binnen een redelijke termijn een hemellichaam buiten het zonnestelsel te bereiken. Neem bij voorbeeld onze dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri. Die staat op 4,25 lichtjaar. Met onze huidige rakettechnologie ben je al gauw 80.000 jaar onderweg vooraleer je je bestemming bereikt. Om sneller te reizen, heb je meer brandstof nodig. Maar dat maakt het ruimtetuig zwaarder, waardoor je meer energie, dus mee brandstof, nodig hebt om het te versnellen.

Om de afstand tot onze dichtst buurster enigszins voorstelbaar te houden, hebben we al gauw een logaritmische schaal nodig.

… of toch niet?

Tenzij we met een volstrekt andere technologie op de proppen komen. Dat is precies wat Breakthrough Starshot beoogt. Dit project, opgezet door de steenrijke zakenman Yuri Milner, de intussen overleden kosmoloog Stephen Hawking en de alomtegenwoordige CEO van Facebook, Mark Zuckerberg, wil laserstralen gebruiken als aandrijving. De energiebron hoeft dan niet langer als ballast mee te reizen, want je zou een heel legertje laserkanonnen op het aardoppervlak kunnen posteren, om van daaruit fotonen af te vuren op de zeilen van ruimtesondes.

In het project Breakthrough Starshot zouden laserkanonnen op het aardoppervlak voor de aandrijving zorgen.

Die ruimtesondes zelf zouden piepklein en vederlicht zijn. Ze bestaan in essentie uit een chip en een zeil. De chip bevat de elektronische componenten, zoals een camera, radio, antenne, computer en controlesysteem.

De StarChip, het piepklein technologisch hart van de sonde.

Als de lichtzeiltechnologie helemaal op punt staat, belooft Breakthrough Starshot dat je een lichtsurfend tuig aan 20% van de lichtsnelheid kan laten reizen. Na een ruimtereis van pakweg 20 jaar – te vergelijken met de 80.000 jaar met de huidige rakettechnologie – kan het nanoruimtetuig plaatjes schieten van de planeten rond de dubbelster Proxima Centauri. Een flinke 4 jaar later ontvangen we de beelden onze beeldschermen.

Waar staan we nu?

Tot zover het einddoel van dit ambitieus project, maar hoe realistisch is de uitvoering ervan? Het goede nieuws is dat de eerste mijlpaal alvast bereikt is. Na een succesvolle testvlucht met LightSail 1 in 2015, werd LightSail 2 op 25 juni 2019 gelanceerd met een Falcon Heavy raket uit de stal van Elon Musks SpaceX. Helemaal volgens schema verliet de compact ingepakte LightSail 2 7 dagen later een 2de ruimtetuig, de Prox-1, om op 2 juli contact te leggen met het controlecentrum. Nog eens drie weken later, op 23 juli, klapte het lichtzeil van 32 vierkante meter open.

Volg LightSail 2 live op http://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/lightsail-mission-control.html

In deze eerste stap vliegt het tuig nog niet op laserlicht, maar op zonnestralen. De LightSail 2 draait rondjes rond de aarde en moet daarbij voortdurend het zeil bijzetten om de lichtdeeltjes van de zon erop te laten inbeuken. Deze fotonen laten ook toe om van orbit te veranderen. Tot dusver heeft LightSail 2 alle verwachtingen ingelost, wat de missie tot een succes maakt. Het zonnezeil mag zijn kunstjes vermoedelijk een jaar lang laten bewonderen, tot augustus 2020.

Een blik op de toekomst

En dan begint het pas echt. Succes in stap 1 geeft je uiteraard geen enkele garantie om succes in de vervolgstappen. Er vallen inderdaad nog wel wat obstakels uit de weg te ruimen. In de eerste plaats is het een hele klus om de koers heel precies te bepalen. Het grote voordeel van de aandrijving op het aardoppervlak te houden, heeft immers een belangrijk nadeel: je kan onderweg niet meer bijsturen. De laserkanonnen zorgen voor de initiële push, waarna het nanotuigje zijn weg in rechte lijn verderzet. De afstand tot Proxima Centauri is zo ontzaglijk groot (in kilometer uitgedrukt een getal met 14 cijfers) dat de geringste afwijking bij de start je hopeloos uit koers brengt. Om dat een beetje op te vangen zou Breakthrough Starshot een hele zwerm nanoruimtetuigjes de ruimte in schieten.

Met een heuse zwerm ruimtetuigjes verhoog je de kans om het doel te bereiken.

Verder zijn er nog heel wat technologische uitdagingen. Kan je de minuscule chips een voldoende groot vermogen en diafragma geven om signalen naar aarde te kunnen zenden? Kan je de laserkanonnen op de grond met voldoende vermogen optuigen om de nanootjes op snelheid te krijgen? Wat de laatste vraag betreft, zou je in totaal naar schatting 100 gigawatt nodig hebben. Het Amerikaans leger plant momenteel de bouw van een laser met een vermogen van 100 kilowatt. Als dat lukt, zou je er dus 1 miljoen van nodig hebben om aan 100 gigawatt te komen. Naast de technologische uitdaging hangt er ook een stevig prijskaartje aan vast: die ene laser van 100 kilowatt zou 140 miljoen dollar kosten. Dat bedrag zou je dan met 1 miljoen moeten vermenigvuldigen…

Anderzijds zit er niet meteen een showstopper in het verhaal. Het zal tijd vergen om alle hindernissen op te ruimen, maar binnen dit en enkele decennia moet dat volgens de betrokkenen wel lukken. Als je daar de 25 jaar bijtelt om de plaatjes te schieten en naar de aarde terug te sturen, zou je afgerond over een jaar of 50 jaar een close-up van een ander zonnestelsel mogen verwachten.

Maar het zal het wachten waard zijn: exoplaneet Proxima Centauri b ligt in de bewoonbare zone rond onze buurster en bevat dus mogelijk water…

Nieuwtjes uit het heelal

    

De week van 16 september 2019 bracht ons: nieuws over een interstellaire komeet, neutronensterren met overgewicht, zwarte gaten met of zonder haar en een ouderdomsbepaling van het heelal.

1. Komeet op bezoek

Herinnert u zich ‘Oumuama nog? Dit sigaarvormig donker rotsblok liet zich op 20 oktober 2017 betrappen door een telescoop in Hawaï. Vrij snel werd duidelijk dat het ontstaan is buiten het zonnestelsel. Daarmee werd ‘Oumuama – Hawaïaans voor ‘boodschapper van ver’ – het eerste ons bekende interstellair object dat ons zonnestelsel met een bezoekje vereerde.

Intussen hebben we nummer 2 te pakken: C/2019 Q4 is een interstellaire komeet, voor het eerst eind augustus gespot door de Russische amateurastronoom Gennady Borisov. Terwijl we ‘Oumuama pas in de smiezen kregen toen die alweer bijna het zonnestelsel verlaten had, zijn we er deze keer veel vroeger bij. Goed nieuws voor de sterrenkundigen, die het nog maandenlang zullen kunnen onderzoeken met hun telescopen.

2. Neutronenster met overgewicht

Hoe het afloopt met een ster hangt van slechts enkele parameters af. De voornaamste is de massa. Een ster zoals de zon eindigt als een witte dwerg. Zwaardere exemplaren stoten aan het eind van hun opeenvolging van kernfusieprocessen de buitenste lagen uit, wat aanleiding geeft tot een supernova. Welk soort object de overblijvende kern is, hangt alweer af van de massa. De minder zware gaan door als neutronenster, de zwaarste als zwart gat.

Sterrenkundigen zijn vooral geïnteresseerd in het omslagpunt tussen beide: wat is de maximale massa van de overblijvende kern die toch nog neutronenster blijft en geen zwart gat? Wat voor eigenschappen heeft een neutronenster die net geen zwart gat geworden is?

Met het oog op dit type vragen heeft de Green Bank Telescope, een reusachtige radiotelescoop, ons zonet een mooie dienst bewezen. De telescoop zoemde in op  J0740+6620, een neutronenster met 2,17 keer de massa van de zon, samengebald in een bol met een diameter van zowat 30 km. Met deze waarde flirt dit object met het omslagpunt. De vorige recordhouder kwam uit op ‘slechts’ 2,01 zonsmassa’s.

3. Het kapsel van een zwart gat

Sinds de jaren 1970 vermoeden theoretische natuurkundigen dat slechts drie eigenschappen, waaronder de massa, een zwart gat kenmerken. Het maakt dus niet uit hoe het zwart gat ontstaan is en welke materie erin terechtgekomen is. Het principe dat al dit soort bijkomende informatie niet ter zake doet, staat bekend onder de uitdrukking ‘Een zwart gat heeft geen haar’.

Sinds enkele jaren kunnen we zwaartekrachtgolven daadwerkelijk meten met instrumenten als het LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Dat brengt dit soort aannames nu ook in aanmerking voor empirische toetsing. Wanneer twee zwarte gaten samensmelten, zendt het nieuw ontstaan zwart gat zwaartekrachtgolven uit. Gedurende korte tijd kan je boventonen ‘horen’, net als bij een bel.

De gemeten grondtoon en boventonen blijken minder dan 20% te verschillen van wat je volgens het ‘geen haar’-theorema zou verwachten. Geen slecht resultaat voor wie denkt dat een zwart gat geen haar heeft, al is er meer precisie nodig om te kunnen uitsluiten dat zwarte gaten ‘een beetje haar’ hebben.

4. Hoe oud is het heelal?

De leeftijd van het heelal wordt geschat op 13,8 miljard jaar. Dat getal staat reeds sinds eind vorige eeuw vrij stabiel. Maar Inh Jee van het Max Plank Institute for Astrophysics in Duitsland betwist dit nu.

Door het principe van zwaartekrachtlenzen verder uit te diepen, is hij van oordeel dat de hubbleconstante, de geschatte snelheid waarmee het heelal uitdijt, hoger ligt dan gedacht. Dan heeft het heelal minder tijd nodig gehad om de huidige mate van uitdijing te bereiken en is het dus jonger. Jee wil maar liefst twee miljard jaar van de leeftijd van het heelal afpitsen.

Tot dusver reageert de wetenschappelijke gemeenschap eerder sceptisch op Jee’s claim.