Astronomische voorbeelden Relativiteitstheorie Hendrik Vandenbruaene Volkssterrenwacht Beisbroek 3 dec 2009
Overzicht • • • • • • •
Algemene relativiteitstheorie : kerngedachten Peri-astron precessie Gravitatielenzen Zwarte gaten Gravitatiegolven Heelalmodellen Outlook
2
Algemene relativiteitstheorie : kerngedachten
1916
3
Newton
Einstein (3D-voorstelling)
Einstein (2D-voorstelling)
4
Peri--astron precessie Peri • •
Bvb verschuiving perihelium Mercurius Perihelium precessie
•
42.98” 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
Gravitatielenzen •
Principe
•
Gevolgen :
-
Dubbel beeld (evt. meervoudig) Versterkende werking Massabepaling deflector
-
Object
Deflector Bvb Quasar-licht buigt af o.i.v. grote massa’s (clusters)
Waarnemer
6
Voorbeeld dubbelquasar
7
Einstein-kruis Lichtbogen
8
Micro--lensing Micro • • • •
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
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 :
mv ² GMm =0 2 r nu : v = c rxchwarzschild =
2GM c²
Bvb : zon à 3km
•
Relativiteit :
Zwart gat à singulariteit in ruimte-tijd Rond singulariteit : zone of no return : waarnemingshorizon 10
Zwarte gaten : Fenomenen •
Waarnemingshorizon • Enkele richting : in, niet uit • Bvb licht : buiten horizon à zeer sterke afbuiging • •
binnen horizon à kan er niet uit Extreme tijdsdilatatie tot stilstand van de tijd Extreme getijdeneffecten à spaghettificatie
•
Ergosfeer • Bij roterende zwarte gaten (singulariteit à schijf) • Zone waar ruimte-tijd sneller dan licht meedraait à Zone waarin je niet meer kunt ‘stil staan’
•
Fotonsfeer • 1.5x Schwarzschild straal • Bol waar tangent invallend licht net kan ‘blijven rond cirkelen’
11
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
Hot spot die rond zwart gat roteert
13
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 à lijkt alsof er straling uit zwart gat komt
14
Accretieschijf + jets Rond zwart gat (model)
Waarnemingen 15
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
Zwarte gaten : ontstaan, soorten •
Stellaire zwarte gaten • Massieve ster, einde leven à supernova • Kern klapt in elkaar • 1.4 Msol : witte dwerg (Chandrasekar limit) • 3-4 Msol : neutronen ster (Tolman-Oppenheimer-Volkoff limit) • > 3 Msol - 15-20 Msol: zwart gat
•
Supermassieve zwarte gaten • In centrum sterrenstelsels, miljoenen zonsmassa’s • Hoe ontstaan ? • Langzame accretie ? Samensmelten ? Super-sterren na Big-Bang ? Restanten Big-Bang
•
Intermediaire zwarte gaten • Bvb in centrum bolhopen ? à nog zoektocht
• •
Primordiale zwarte gaten ‘Deffecten’ uit ontstaan heelal ? Mini zwarte gaten : bvb bij botsingen van elementaire deeltjes ? 17
PowerPoint heeft het automatisch downloaden v an deze externe afbeelding niet toegestaan om te v oork omen dat uw priv acy in het gev aar k omt. U k unt de afbeelding alsnog downloaden en weergev en door op de berichtenbalk op Opties te k lik k en en v erv olgens Externe inhoud inschak elen te k iezen.
Jets – radiolobben in Quasars
Botsende sterrenstelsels
Samensmelten kernen sterrenstelsels X-ray : blauw Radiojets : rood
18
19
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
Rotatie zware objecten
Ontstaan zwart gat (cfr steen in poel)
21
Nobelprijs Fysica 1993 • • • •
Hulse & Taylor Pulsar rond andere neutronenster (binary pulsar) PSR 1913+16 (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
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 10-21
23
LIGO Laser Interferometry GravitationalGravitational-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 • 10-18 m precies !! (1000 kleiner dan atoomkern)
24
2 lokaties in USA Washington & Louisiana Gecorreleerde waarnemingen - First lock : Okt 2000 - Aug 2009 : limieten BigBang theorieën - 2014 : Advanced LIGO factor 10
25
Samensmelten zwart gat – neutronenster
Project zeer controversieel Zeer duur (530mio USD) en resultaat zeer twijfelachtig Probleem gevoeligheid 26
En vanuit de ruimte… • Gevoeligheid op aarde • Probleem: • seismische limieten • grootte beperkt • LISA : Laser Interferometer Space Antenna
27
LISA : principe • • • • • •
• •
Formatie 3 satellieten die gigantische laser interferometer vormen Nauwkeurigheid 10-23 10-10 m detectie IR-laser 30cm optiek NASA/ESA
Momenteel : LISA/PATHFINDER missie in voorbereiding (2011 ?)
28
29
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 = H0.d
30
Wet van Hubble
31
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 : 10 - 15 miljard jaar oud
Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker model 1922-24
1927
Rus
Bel
jaren ’30 USA
UK
32
EVOLUTIE HEELAL • • •
Op basis van algemene relativiteitstheorie Initiële expansie, geremd door gravitatie (massa) 3 gevallen mogelijk
•
OPEN HEELAL : • Initiële expansie wint het van “massa-rem” • m < m kritisch • 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
W0 < 1
W0 = 1 W0 < 1
34
Outlook 1. Versnelde uitdeining heelal • Waargenomen a.d.h.v. Type Ia Supernovae (1997• •
1998) Verre supernovae zijn ietsje zwakker dan verwacht Vroeger iets tragere uitzetting dan nu
à 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
PowerPoint heeft het automatisch downloaden v an deze externe afbeelding niet toegestaan om te v oork omen dat uw priv acy in het gev aar k omt. U k unt de afbeelding alsnog downloaden en weergev en door op de berichtenbalk op Opties te k lik k en en v erv olgens Externe inhoud inschak elen te k iezen.
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 à fluctuaties : levert singulariteiten op in alg relativiteit Heisenberg onbepaaldheid : positie of snelheid à snelheid » energie à kromming ruimte Op super kleine schaal à ‘wild’ gekromde ruimte : ‘Quantumschuim’. Schaal 1E-33 (Planck lengte) : problematisch
Mogelijke oplossingen : bvb in string theorie à ipv puntdeeltjes, kleine snaartjes Graviton : messenger-deeltje voor zwaarte kracht
36
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) • F¹m.a (a beetje kleiner dan verwacht) à 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) à effecten op evolutie heelal …. 37
38
