Zijn
de kosmologische constanten veranderlijk?
En
ander nieuws uit de ruimte - 17-08-2001
Het
vermoeden doet al langer de ronde, maar lijkt nu voor het eerst ernstig
genomen te worden: de lichtsnelheid en andere kosmologische constanten
zouden misschien toch minder constant zijn dan hun naam doet vermoeden.
En er is meer nieuws uit de diepten van de ruimte: recent werd dan
toch een exoplanetenstelsel gevonden dat lijkt op het onze, werden
plaatsen bezocht die zo ver in het verleden liggen dat het eerste
licht nog niet was geboren en kwam men er eindelijk achter waar de
x-stralen die het zonnestelsel doorboren vandaan komen.
Veranderlijke
constanten?
In wat mogelijk tot een revolutionaire publicatie zou kunnen uitgroeien,
beweren een aantal astrofysici dat de fijnstructuurconstante, een
variabele die de kracht van de interactie tussen geladen deeltjes
beschrijft, minder constant is dan altijd werd aangenomen. Volgens
hen was de waarde van deze constante in het verleden licht verschillend
van vandaag, een vinding die verstrekkende gevolgen zou kunnen hebben,
maar misschien ook enkele van de vele mysteries die de kosmos nog
steeds kenmerken zou kunnen helpen ontrafelen.
Het artikel werd gepubliceerd in Physical Review Letters, zowat
het meest prestigieuze en betrouwbare tijdschrift van het vakgebied.
De onderzoeksgroep die voor de ophefmakende tekst tekende werd geleid
door John K. Webb, verbonden aan de universiteit van New South Wales
in Sydney.
Met ’s werelds grootste enkelvoudige telescoop – het Keck
observatorium - bestudeerden ze het gedrag van metaalatomen op
een afstand van ongeveer 12 miljard lichtjaar. Metaalatomen als zink
en aluminium slorpen licht op, waardoor het spectrum van het licht
een specifiek patroon oplevert. De waarde van de golflengtes wordt
bepaald door de fijnstructuurconstante. De vorsers pasten dit proces
toe op het licht dat van een quasar afkomstig is, maar stelden vast
dat het golflengte-patroon – dat wel eens met een vingerafdruk wordt
vergeleken omdat het zo onveranderlijk is – doorheen de tijd wijzigde.
Dit verrassende resultaat kan volgens de vorsers verklaard worden
door aan te nemen dat de fijnstructuurconstante groter wordt naarmate
men het heden nadert. Als dit klopt, dan is het zelfs mogelijk dat
de lichtsnelheid niet altijd hetzelfde is geweest, want deze constante
is opgenomen in de fijnstructuurconstante. Niet dat het om spectaculaire
wijzigingen gaat: het verschil bedraagt nauwelijks 1/100.000.
De gevolgen zijn echter wel verstrekkend. Het Standaardmodel, de basis
om de fysieke wereld te beschrijven, zou onder druk komen te staan,
ook al weerstaat het al jarenlang de meest rigoureuze testen en slaagt
het erin een grote variëteit aan fenomenen te verklaren. Veranderlijke
constanten zouden bovendien alles beïnvloeden dat we op dit moment
over het heelal denken te weten: de grootte en leeftijd, zelfs hoe
het ontstaan is. Maar wie zich liever voorhoudt dat het glas half
vol is, ziet in de potentiële variabiliteit van de natuurkundige constanten
een kans om enkele van de astronomische raadsels vanuit een andere
hoek te bekijken. Misschien werpt het een licht op de ‘donkere energie’,
een antizwaartekracht die verantwoordelijk geacht wordt voor het feit
dat de uitdijing van het heelal nog steeds versnelt. Of donkere materie,
de materie waarvan de natuurkunde heeft berekend dat ze aanwezig moet
zijn – in veel grotere mate dan zichtbare materie – maar waarvan geen
mens weet wat het zou kunnen zijn.
Ook supersnaartheoretici zijn enthousiast, want zij beschikken over
een model dat minder problemen zou hebben om veranderlijke constanten
te integreren. Supersnaartheorieën voorspellen immers het bestaan
van kleine, extra
dimensies en wijzigingen in de grootte van deze dimensies zou
een wijziging van de waarde van constanten kunnen meebrengen.
Zo ver is het echter nog lang niet. Want hoewel de studie met uitzonderlijk
veel zorg werd voltooid – de statistische kans dat het resultaat niet
met de onderzoeksgegevens overeenstemt is 1/10.000 - en er veel aandacht
ging naar het controleren van de gegevens door externe experts, is
de eenvoudigste verklaring voor de vaststellingen nog steeds dat er
een kleine fout in de studie geslopen is. De vele natuurkundigen die
al gereageerd hebben op de studie, vermoeden dat het onderzoek de
tand des tijds en de vele controles waaraan ze ongetwijfeld onderworpen
zal worden, niet zal doorstaan. Dat neemt echter niet weg dat iedereen
onder de indruk is van het werk van Webb en zijn team en zich voorbereidt
om de resultaten te aanvaarden.
Raadsel
opgelost
Al meer dan 20 jaar vroegen astronomen zich af waar de ‘harde’, korte-golf
x-stralen die de schijf van ons sterrenstelsel doorsnijden, vandaan
komen. Twee theorieën hielden al die tijd stand: of de röntgenstralen
zijn afkomstig van krachtige sterren die deel uitmaken van de Melkweg,
of ze worden uitgezonden door
Plasma dat door het sterrenstelsel zweeft. Alleen bleek het erg
moeilijk één van beide theorieën te testen, want de regio die daarvoor
onderzocht moet worden kreeg niet voor niets de bijnaam ‘te vermijden
zone’. Dikke stof- en gaswolken blokkeren er elk optisch signaal.
Radio-, infrarode en röntgenstralen kunnen de wolken wel doordringen,
maar tot voor kort bestond er geen enkele waarnemer die geschikt was
om deze stralen op te vangen.
De lancering van het Chandra
X-stralen Observatorium bracht daar echter verandering in en
in februari 2000 kreeg een wetenschappelijk team onder leiding van
NASA-medewerker Ken Ebisawa de kans om met Chandra een klein deel
van de galactische schijf te observeren.
Aanvankelijk leken de resultaten steun te geven aan beide theorieën:
er werd zowel diffuse straling als een aantal puntbronnen ontdekt.
Bij nader inzien lijken deze puntbronnen – waarbij straling wordt
uitgezonden vanuit één bepaald object – erop te wijzen dat de Melkweg
inderdaad vreemde sterren bevat die krachtige X-stralen produceren.
Maar deze bronnen droegen nauwelijks bij aan de intensiteit van straling
in de schijf van de Melkweg. Bovendien bleek de verdeling van de puntbronnen
erg te lijken op de manier waarop sterrenstelsels in het heelal verdeeld
zijn. De onderzoekers besloten dan ook dat de puntbronnen ver verwijderde
sterrenstelsels zijn, die niets te maken hebben met de X-stralen die
ons sterrenstelsel doorboren.
En dus haalt de tweede theorie het, die plasma als de verspreider
van de galactische röntgenstralen beschouwt. Het raadsel is dan wel
opgelost, maar meteen ontstaan er nieuwe onduidelijkheden. Volgens
Ebisawa is de temperatuur van het plasma zo hoog dat het niet noodzakelijk
meer gebonden is aan de zwaartekracht van de Melkweg. Waarom het dan
toch blijft rondhangen weet niemand. Sterker nog, ook waar het vandaan
zou komen is nog een open vraag. Mogelijk is het een restant van supernovae,
maar omdat er nog geen algemeen aanvaarde modellen zijn om het gedrag
van heet galactisch plasma te beschrijven blijft ook dat erg onzeker.
En toen was er licht...
Na de Oerknal, 13 miljard jaar geleden, bleef het jonge universum
nog honderden miljoenen jaren een barre en vooral erg donkere plek.
Voor de eerste sterren ontstonden en terwijl het hete heelal langzaam
afkoelde, trokken enkel reusachtige wolken gas door het heelal. Aan
deze duistere tijden komt een einde als uit het gas de eerste sterren
ontstaan en de ochtendmist eindelijk optrekt.
35 jaar geleden voorspelden James Gunn en Bruce Peterson dat neutraal
waterstofgas straling zou moeten opnemen en dus ook licht zou absorberen.
Het zou in principe dus mogelijk moeten zijn de schaduw van de duistere
jaren waar te nemen, als men maar ver genoeg in de tijd terugkijkt.
Totnogtoe was men er niet in geslaagd de mist te ontdekken, maar daar
is sinds kort verandering in gekomen.
In een vervolgstudie die kadert in het Sloan
Digital Sky Survey (SDSS), een ambitieus, internationaal programma
waarbij men meer dan 200 miljoen hemellichamen in kaart wil brengen,
hebben astronomen de gasflarden uit het begin der tijden dan toch
voorbij het licht van een ver verwijderde quasar zien trekken. Quasars
schijnen met de kracht van miljarden zonnen en kunnen dan ook vanop
grote afstanden worden ontdekt. Eén van de objectieven van het SDSS
is de afstand bepalen van een 100.000-tal quasars, een inspanning
die al spectaculaire resultaten én de vier verst verwijderde bekende
quasars opleverde.
Aanvankelijk leek geen van deze 4 objecten uitzonderlijke karakteristieken
te vertonen, maar toen de astronomen deze oefeningen herhaalden met
de veel krachtiger Keck
telescoop op Hawaii, bleek dat het spectrum van de verst verwijderde
quasar, waarvan het licht meer dan 12 miljard jaar geleden werd uitgestraald
een donkere vlek vertoonde, waar licht bijna volledig afwezig was.
Dat moet de ochtendmist wel zijn, argumenteerden de ontdekkers. Maar
vooraleer het resultaat bevestigd wordt door andere, nog verder verwijderde
quasars, kan het natuurlijk ook één van die andere tientallen vreemde
fenomenen zijn waar astronomen onvermijdelijk op stuiten als ze te
diep in de ruimte turen.
Planetenstelsel
als het onze?
Van een exoplaneet – planeten die niet rond onze zon, maar rond een
andere ster cirkelen - meer of minder kijkt niemand meer op. Er zijn
er ondertussen dan ook al tientallen beschreven en de catalogus
wordt met de regelmaat van de klok aangevuld. De reeds ontdekte planeten
leken bovendien nogal sterk op elkaar, zodat het nieuwe er al snel
af was. Bijna allemaal hadden ze een massa van enkele keren die van
reuzenplaneet Jupiter en cirkelden ze in hoogst excentrieke banen
dicht rond hun moederster.
De stroom ontdekkingen heeft er wel toe geleid dat de planetenjagers
niet langer meewarig worden bekeken. Van fantasten die een onmogelijke
droom achterna liepen zijn ze uitgegroeid tot wetenschappelijke teams
die eindelijk ernstig genomen worden en waarvan de meest bekende groep
zelfs een project kan lanceren om een telescoop te bouwen die enkel
wordt ingezet om exoplaneten op te sporen. En wellicht nog een goede
kans maakt om het budget rond te krijgen ook.
Zeker nu de onderzoeksgroep rond Geoffrey Marcy alweer een spectaculaire
ontdekking bekend heeft gemaakt. Eerder al werd vastgesteld dat één
van de sterren van de constellatie Grote Beer - 47
Ursae Majoris - minstens één planeet heeft, met een massa van
2,5 maal de massa van Jupiter. Met de fijnere apparatuur die vandaag
beschikbaar is, kon worden vastgesteld dat de 47Uma nog een tweede
gast heeft: een planeet die ongeveer even groter is als Jupiter.
Wat de vondst nog opvallender maakt, is dat beide planeten bijna-circulaire
banen volgen, de planeet van Jupiter-grootte bovendien op een behoorlijke
afstand van de moederster. Dat maakt van het stelsel rond 47UMa het
eerste dat karakteristieken deelt met het stelsel waar de aarde deel
van uitmaakt. De exemplaren die eerder in kaart werden gebracht hadden
twijfel doen ontstaan bij het voorkomen van zonnestelsels als het
onze. Met de recente ontdekking is echter een goede kandidaat opgestaan
om te zoeken naar planeten die op de aarde lijken, met de bijhorende
en onvermijdelijk hoop op één ervan leven aan te treffen.
Het feit dat alleen reuzenplaneten worden ontdekt heeft overigens
veel te maken met de detectiemethode. De planetenjagers speuren naar
sterren die een minuscule wiebeling
vertonen wat betekent dat de ster naar links en rechts gerukt wordt
door de zwaartekracht van een rondcirkelende planeet. Uiteraard zal
deze beweging meer uitgesproken zijn bij massieve planeten die dicht
bij de ster hun baantjes trekken. Maar als Marcy het 5 miljoen dollar
dure telescoopproject kan voltooien, zullen planeten opgespoord kunnen
worden met een massa gelijk aan 20 keer die van de aarde, zo maakt
de vorser zich sterk.
David
de Vaal
Aansluitende artikels:
E.T.
bestaat! – 30-07-2001
Hubble-telescoop
bepaalt uitdijingssnelheid heelal - 11-06-2001
Deep
Impact is go – 30-05-2001
Related links:
Plasma:
de vierde staat van materie
Chandra X-stralen Observatorium
Sloan
Digital Sky Survey
Keck
telescoop
Catalogus
exoplaneten
Planetenjagers
©
David de Vaal
