Hendrik Vandenbruaene Volkssterrenwacht Beisbroek 3 dec 2009

Transcriptie

1 Astronomische voorbeelden Relativiteitstheorie Hendrik Vandenbruaene Volkssterrenwacht Beisbroek 3 dec 2009

2 Overzicht Algemene relativiteitstheorie : kerngedachten Peri-astron precessie Gravitatielenzen Zwarte gaten Gravitatiegolven Heelalmodellen Outlook 2

3 Algemene relativiteitstheorie : kerngedachten

4 Newton Einstein (3D-voorstelling) Einstein (2D-voorstelling) 4

5 Peri-astron precessie Bvb verschuiving perihelium Mercurius Perihelium precessie per 100yr (dus totaal rozet : 12 mio yr!) Niet te verklaren door andere planetaire storingen Relativiteitstheorie geeft nauwkeurige voorspelling Gevolg van ellips in gekromde ruimte rond ster Geometrie = soort trechter Ellips niet gesloten 5

6 Gravitatielenzen Principe Object Gevolgen : - Dubbel beeld (evt. meervoudig) - Versterkende werking - Massabepaling deflector Deflector Bvb Quasar-licht buigt af o.i.v. grote massas (clusters) Waarnemer 6

7 Voorbeeld dubbelquasar 7

8 Einstein-kruis Lichtbogen 8

9 Micro-lensing Effect niet enkel op intergalactische schaal, ook op meer locale schaal Bvb zoektocht naar bruine dwergen in LMC (vanaf 1992) Opticla Gravitational Lensing Experiment, OGLE (univ Warshau) Recent echter ook exoplaneten! 9

10 Zwarte gaten : basisidee Object waar zwaartekracht zo sterk is dat ontsnappingssnelheid groter is dan lichtsnelheid Laplace Michell (1790), Schwarzschild (1906), Kerr&Newmann (1965-roterende) Klassieke berekening : mv² GMm = 2 r nu : v = c r xchwarzsch ild = 0 2GM c² Bvb : zon 3km Relativiteit : Zwart gat singulariteit in ruimte-tijd Rond singulariteit : zone of no return : waarnemingshorizon 10

11 Zwarte gaten : Fenomenen Waarnemingshorizon Enkele richting : in, niet uit Bvb licht : buiten horizon zeer sterke afbuiging binnen horizon kan er niet uit Extreme tijdsdilatatie tot stilstand van de tijd Ergosfeer Extreme getijdeneffecten spaghettificatie Bij roterende zwarte gaten (singulariteit schijf) Zone waar ruimte-tijd sneller dan licht meedraait Zone waarin je niet meer kunt stil staan Fotonsfeer 1.5x Schwarzschild straal Bol waar tangent invallend licht net kan blijven rond cirkelen 11

12 15 mio g Simulatie, vlucht naar zwart gat Wat ziet men? 9000 mio g 65 miljard g Ute Kraus, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik 12

13 Hot spot die rond zwart gat roteert 13

14 Zwarte gaten : Waarnemen Indirecte waarnemingen Objecten die rond zwart gat bewegen Bvb in dubbelstersystemen Bvb centrum melkwegstelsel Indirect via effecten rond zwart gat Accretieschijven Zeer energetische straling door versnellen, verhitten invallend materiaal Jets : opgerold magneetveld, 2 fijne stralen Bvb : in dubbelstersystemen (X-stralen, gamma straling) in centra actieve sterrenstelsels (Quasars, Radiostelsels,). Hawking straling Paren deeltjes en anti-deeltjes ontstaan continu in de ruimte Eentje in zwart gat, ander ontsnapt lijkt alsof er straling uit zwart gat komt 14

15 Accretieschijf + jets Rond zwart gat (model) Waarnemingen 15

16 Melkwegcentrum Mass of Sagittarius A*: 4.0±0.1 1E6 Msol Size of Sagittarius A* < 1 AU Sagittarius A* must be a black hole. 16

17 Zwarte gaten : ontstaan, soorten Stellaire zwarte gaten Massieve ster, einde leven supernova Kern klapt in elkaar 1.4 Msol : witte dwerg (Chandrasekar limit) 3-4 Msol : neutronen ster (Tolman-Oppenheimer-Volkoff limit) > 3 Msol Msol: zwart gat Supermassieve zwarte gaten In centrum sterrenstelsels, miljoenen zonsmassas Hoe ontstaan? Langzame accretie? Samensmelten? Super-sterren na Big-Bang? Restanten Big-Bang Intermediaire zwarte gaten Bvb in centrum bolhopen? nog zoektocht Primordiale zwarte gaten Deffecten uit ontstaan heelal? Mini zwarte gaten : bvb bij botsingen van elementaire deeltjes? 17

18 PowerPoint heeft het automatisch downloaden van deze externe afbeelding niet toegestaan om te voorkomen dat uw privacy in het gevaar komt. U kunt de afbeelding alsnog downloaden en weergeven door op de berichtenbalk op Opties te klikken en vervolgens Externe inhoud inschakelen te kiezen. Botsende sterrenstelsels Jets radiolobben in Quasars Samensmelten kernen sterrenstelsels X-ray : blauw Radiojets : rood 18

19 19

20 Gravitatiegolven Wat zijn ze? Hoe ontstaan ze? Kandidaten? Bewegende massa in de ruimte-tijd : Golffenomeen in ruimte-tijd (1916) Oscillatie van het ruimte-tijd weefsel : golf Cfr. EM-golven bij bewegende ladingen Elasticiteit ruimte-tijd : zeer stijf Gevolg 1 : enkel zeer hevige bewegingen van zeer zware objecten veroorzaken golven Gevolg 2 : zeer moeilijk te decteren Typische kandidaten Vorming zwart gaten Rotatie van en vooral samensmelten van neutronenesterren, zwarte gaten Ontstaan heelal 20

21 Rotatie zware objecten Ontstaan zwart gat (cfr steen in poel) 21

22 Nobelprijs Fysica 1993 Hulse & Taylor Pulsar rond andere neutronenster (binary pulsar) PSR (Aquila) Baan van de pulsar verkleint Afname periode +- 7 seconden van 1974 tot 1983 Energieverlies door uitzenden gravitatiegolven!! (nog 200 mio jaar te gaan) 22

23 Detectie gravitatiegolven Fysica Bevestiging principe gravitatiegolven (directe waarneming) Bevestiging quadrupool principe Sterkste test relativiteitstheorie Astronomie Ontstaan zwarte gaten Samensmelten neutronensterren, zwarte gaten Info Big bang voor moment ontkoppeling (!) Nieuwe zaken? Uiterst gering effect : Bvb : 2 neutronensterren op 50 mio lj afstand : relatieve lengteverandering

24 LIGO Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory Interferometrie om uiterst geringe verplaatsingen te gaan detecteren Principe Michelson interferometer (1881) Zo afregelen dat interferentie destructief is Bij golf : oscillatie zichtbaar Maar : wegfilteren aardse storingen 2x 4 km (vacuum) Super precieze ophanging met trillingscompensatie m precies!! (1000 kleiner dan atoomkern) 24

25 2 lokaties in USA Washington & Louisiana Gecorreleerde waarnemingen - First lock : Okt Aug 2009 : limieten BigBang theorieën : Advanced LIGO factor 10 25

26 Samensmelten zwart gat neutronenster Project zeer controversieel Zeer duur (530mio USD) en resultaat zeer twijfelachtig Probleem gevoeligheid 26

27 En vanuit de ruimte Gevoeligheid op aarde Probleem: seismische limieten grootte beperkt LISA : Laser Interferometer Space Antenna 27

28 LISA : principe Formatie 3 satellieten die gigantische laser interferometer vormen Nauwkeurigheid m detectie IR-laser 30cm optiek NASA/ESA Momenteel : LISA/PATHFINDER missie in voorbereiding (2011?) 28

29 29

30 Heelalmodellen 1. Wet van Hubble Edwin Hubble 100 Hooker Telescoop (jaren 20) 1 : Sterrenstelsels niet in onze eigen melkweg 2 : Bepaling roodverschuiving Roodverschuiving - afstand : lineair verband (!) Wet van HUBBLE : v = H 0.d 30

31 Wet van Hubble 31

32 Heelalmodellen 2. Oerknal-concept Uit de waargenomen uitdeining Omgekeerde redenering : Ooit alles dicht bij elkaar : hoge druk, temp, Bep. tijdstip in verleden : ontstaan heelal In allesomvattende explosie BIG BANG (Oerknal) Op basis van Hubble cte : miljard jaar oud Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker model jaren 30 Rus Bel USA UK 32

33 EVOLUTIE HEELAL Op basis van algemene relativiteitstheorie Initiële expansie, geremd door gravitatie (massa) 3 gevallen mogelijk OPEN HEELAL : m < m kritisch Initiële expansie wint het van massa-rem ruimte is oneindig en negatief gekromd GESLOTEN HEELAL : m > m kritisch stopt met uitzetten en krimpt terug BIG CRUNCH Eindig heelal en positief gekromd KRITISCH HEELAL (Einstein-De Sitter heelal) m = m krit (+/- 3 H-atomen per m³!!) uitzetting stopt op oneindig Vlak heelal (Euclidisch) 33

34 Ω 0 < 1 Ω 0 = 1 Ω 0 < 1 34

35 Outlook 1. Versnelde uitdeining heelal Waargenomen a.d.h.v. Type Ia Supernovae ( ) Verre supernovae zijn ietsje zwakker dan verwacht Vroeger iets tragere uitzetting dan nu Zwakke afstotende kracht werkzaam. Fysische achtergrond??? Einstein : Kosmologische constante al in theorie (Lambda) Lost heel wat kosmologische problemen op (o.a. leeftijd heelal e.d.) 35

36 PowerPoint heeft het automatisch downloaden van deze externe afbeelding niet toegestaan om te voorkomen dat uw privacy in het gevaar komt. U kunt de afbeelding alsnog downloaden en weergeven door op de berichtenbalk op Opties te klikken en vervolgens Externe inhoud inschakelen te kiezen. Outlook 2. Verband relativiteitstheorie en quantummechanica? Quantum-gravitatie Relativiteitstheorie : grote structuren zwaartekracht Quantumfysica : micro structuren : elementaire deeltjes Geen unificatie-theorie die beide facetten beschrijft Fundamenteel probleem Super kleine schaal : quantum fysica fluctuaties : levert singulariteiten op in alg relativiteit Heisenberg onbepaaldheid : positie of snelheid snelheid energie kromming ruimte Op super kleine schaal wild gekromde ruimte : Quantumschuim. Schaal 1E-33 (Planck lengte) : problematisch Mogelijke oplossingen : bvb in string theorie ipv puntdeeltjes, kleine snaartjes Graviton : messenger-deeltje voor zwaarte kracht 36

37 Outlook 3. Wilde aanpassingen gravitatietheorie??? Donkere materie Bvb rotatiecurves sterrenstelsels Expansie heelal : zeer grote fractie donkere materie Alternatief : gravitatietheorie klopt niet 100% bij lage dictheid MOND : Modified Newtonian Dynamics Mordehai Milgrom (1983) F m.a (a beetje kleiner dan verwacht) kan rotatie curves verklaren zonder donkere materie Bvb ook lichte afwijkingen verwachte beweging sondes langs planeten. Waarom? Andere ideeën : lichtsnelheid niet constant doorheen geschiedenis heelal!!??!! (bvb J. Magueijo) effecten op evolutie heelal. 37

38 38