Astronomische voorbeeldenAstronomische voorbeeldenRelativiteitstheorieRelativiteitstheorie

Hendrik VandenbruaeneVolkssterrenwacht Beisbroek3 dec 2009

2

OverzichtOverzicht

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

3

Algemene relativiteitstheorie : Algemene relativiteitstheorie : kerngedachtenkerngedachten

1916

4

Newton

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

5

PeriPeri--astron precessieastron precessie

• 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

6

GravitatielenzenGravitatielenzen

• Principe

• Gevolgen :- Dubbel beeld

(evt. meervoudig)- Versterkende werking- Massabepaling deflector

Waarnemer

Object

Deflector

Bvb Quasar-lichtbuigt af o.i.v.grote massa’s (clusters)

7

Voorbeeld dubbelquasar

8

Einstein-kruis

Lichtbogen

9

MicroMicro--lensinglensing

• 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 !

10

Zwarte gaten : basisideeZwarte 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 :

• Relativiteit : Zwart gat à singulariteit in ruimte-tijdRond singulariteit : zone of no return : waarnemingshorizon

²2

:

02

²

cGMr

cvnur

GMmmv

ildxchwarzsch =

=

=−

Bvb : zon à 3km

11

• 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 meedraaità Zone waarin je niet meer kunt ‘stil staan’

• Fotonsfeer• 1.5x Schwarzschild straal• Bol waar tangent invallend licht net kan ‘blijven rond cirkelen’

Zwarte gaten : FenomenenZwarte gaten : Fenomenen

12

15 mio g

9000 mio g

65 miljard g

Ute Kraus, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Simulatie, vlucht naar zwart gatWat ziet men ?

13Hot spot die rond zwart gat roteert

14

• 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

Zwarte gaten : WaarnemenZwarte gaten : Waarnemen

15

Accretieschijf + jets Rond zwart gat (model)

Waarnemingen

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.

17

• 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 ?

Zwarte gaten : ontstaan, soortenZwarte gaten : ontstaan, soorten

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 k likken en vervolgens Externe inhoud inschakelen te k iezen.

18X-ray : blauwRadiojets : rood

Botsende sterrenstelsels

Samensmelten kernen sterrenstelsels

Jets – radiolobbenin Quasars

19

20

GravitatiegolvenGravitatiegolvenWat zijn ze ? Hoe ontstaan ze ? Kandidaten ?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

21

Ontstaan zwart gat (cfr steen in poel)

Rotatie zware objecten

22

Nobelprijs Fysica 1993Nobelprijs 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…)

23

Detectie gravitatiegolvenDetectie 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

24

LIGO LIGO Laser Interferometry GravitationalLaser Interferometry Gravitational--Wave ObservatoryWave 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)

25

2 lokaties in USAWashington & LouisianaGecorreleerde waarnemingen

- First lock : Okt 2000- Aug 2009 : limieten BigBang theorieën- 2014 : Advanced LIGO factor 10

26

Project zeer controversieelZeer duur (530mio USD)en resultaat zeer twijfelachtig

Probleem gevoeligheid

Samensmelten zwart gat – neutronenster

27

En vanuit de ruimte…En vanuit de ruimte…

• Gevoeligheid op aarde • Probleem:• seismische limieten• grootte beperkt

• LISA : Laser Interferometer Space Antenna

28

LISA : principeLISA : 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 ?)

29

30

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

HeelalmodellenHeelalmodellen

31

Wet van Hubble

32

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

HeelalmodellenHeelalmodellen

Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker model

1922-24 1927 jaren ’30

Rus Bel USA UK

33

EVOLUTIE HEELALEVOLUTIE 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)

34

Ω0 < 1

Ω0 = 1

Ω0 < 1

35

OutlookOutlook

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.)

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 k likken en vervolgens Externe inhoud inschakelen te k iezen.

36

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

OutlookOutlook

37

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) 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

….

OutlookOutlook

38