07 – 03 - 2018

Beweging van planeten,… Overzicht Astronomie met klassieke fysica Astronomie met moderne fysica LES I: Meten in de astronomie Klassieke processen Beweging van planeten,… LES II : - Speciale relativiteitstheorie - - Elementaire deeltjes - Kwantummechanika LES III : - Alg. relativiteitstheorie - Kosmologie - Cursus (Hfd. 4, 20,…) - Tekst : Het Heelal - Cursus (Hfd. 18, 29, 33…) Teksten Kwantummechanica Bouwstenen natuuur - Speciale relativiteitstheorie Algemene relativiteitstheorie Gravitatiegolven

Studieonderwerp vandaag : De Kosmologie / impact relativiteitstheorie ( Kosmos = orde ) +/- 250 miljard sterren? doorsnede : 100.000 lj Zon : 99,6% van materie zonnestelsel Wij zijn er sinds … +/- 40.000 jaar Op dit niveau schiet de klassieke theorie tekort. Enkel te beschrijven met de Algemene Relativiteitstheorie (1915).

Algemene Relativiteitstheorie Twee karakteristieken van Einstein: Hij was een “wetenschappelijke eenzaat” (geen labo’s, telescopen, univ.) - Hij gaf voor het eerst een wetenschappelijk antwoord voor een eeuwenoud probleem : “Imagination is more important than knowledge” (1879-1955) “Oneindigheid”

De algemene relativiteitstheorie vs Speciale relativiteitstheorie ( 1915) Speciale relativiteitstheorie ( 1905) geen versnellingen “eenparige” bewegingen er treden versnellingen op sleutelwoord : zwaartekracht Tijd, ruimte, energie, zwaartekracht, … krijgen nu een andere betekenis

Twee basisbegrippen van de algemene relativiteitstheorie Ruimte en tijd zijn GEEN starre begrippen (= klassieke visie Newton) Ze worden plaatselijk vervormd door de aanwezige massa. Einstein voert een “radicaal” nieuwe visie in op de ruimte en tijd. Wereld van microben in “Platland” 2. Andere, bredere interpretatie van de zwaartekracht - de zwaartekracht is te beschrijven als een “vrije” baan in de vervormde ruimte - is een manifestatie van een “rimpeling” in de ruimte-tijd X

De ruimte volgens Newton en volgens Einstein “vaste, eeuwige” ruimte Einstein : “vervormbare” ruimte In een “kleine” ruimte “ervaren” wij de ruimte (verkeerdelijk) als vlak … net als een microbe de oppervlakte van een ballon als vlak ervaart

Oorsprong van de algemene relativiteitstheorie : een “gedachtenexperiment” van Einstein - Stap I : wat gebeurt er in een lift die in vrije val is? Alles en iedereen is bevrijd van de zwaartekracht Zelfde effect als een lift in de “verre” ruimte. - Stap II : elke versnelling in de ruimte aan een “zwaartekrachtloze” lift veroorzaakt in die lift een zwaartekracht. ” Conclusie van Einstein “Zwaartekracht “en “Versnelling” : zijn equivalente begrippen

Zijn Einsteins gedachten wel juist? +/-1916 : eerste bewijs juistheid van de Alg. Rel. theorie Wat is er met Mercurius aan de hand? Onverklaarbare periheliumprecessie Mercurius ( +/- 43 bgsec/eeuw) Le Verrier : “tussen Mercurius en de Zon bevindt zich nog een niet ontdekte planeet” Volcanus? Einstein verklaart deze afwijking met zijn algemene relativiteitstheorie (Mercurius staat dicht bij de Zon)

1919 : Eddington neemt de kromming van de ruimte waar Gedurende een eclips neemt Eddington sterren waar achter de Zon Gemeten afwijking : +/- 1,72 bg.sec Einstein is op slag beroemd 1921 : Eerste bezoek aan US

“Gravitatielens” geeft een beeld van de vervormde ruimte Door de vervorming van de ruimte bekomt een waarnemer verschillende beelden van eenzelfde melkweg Kruis van Einstein ( Pegassus) Centraal melkwegstelsel : 400 miljoen lj. Quasar : 8 miljard lj. ver Ook opsporen exoplaneten

Beide projecten werken intens samen. 2016 : “Rechtstreekse” waarneming van de door Einstein voorspelde gravitatiegolven +/- 1975 : Hulse en Taylor : eerste onrechtstreekse waarneming door massaverlies in een dubbelstersysteem (pulsar + neutronenster). 11/2/16 : Samensmelten van twee zwarte gaten - Afstand +/- 1,5 miljard lj. - Massa : +/- 29, 36 keer zonnemassa - Massaverlies : +/- 3 keer zonnemassa. Energie (E= mc2) LIGO project : 2 gevoelige interferometers op 2 plaatsen in USA ( in Louisiana en in Washington) (Zelfde principe als voor het meten van de lichtsnelheid door Michelson en Morley ) PISA project in Italie. Beide projecten werken intens samen.

De gravitationele tijdsdilatatie Grotere tijdsdilatatie Grotere gravitatie Grotere tijdsdilatatie Enkele toepassingen: - Boven Mount Everst (+/- 9.000 m) : tijd verloopt er 1/30.000 sec sneller / jaar - Gravitationele roodverschuiving : kleinere frekwentie laserstraal boven op een berg - Tijdscorrectie voor GPS systemen ( Galileo : 30 satellieten op 20.000 km hoogte ) - Astronauten in het ISS verouderen vlugger a.g.v. de A. R. en verouderen trager a.g.v. de S. R. Netto resultaat : ze worden minder oud

1917 : Einstein gaat door op zijn elan “Model” voor een homogeen Heelal op kosmische schaal Termen uit linkerlid hebben betrekking op de vorm van de ruimte Termen uit rechterlid hebben betrekking op de hoeveelheid materie/energie in die ruimte Vorm van de ruimte Massa/energie   Probleem voor Einstein : Iedereen, ook Einstein, was toen overtuigd dat het Heelal statisch en onveranderlijk was Door de “overheersende” zwaartekracht in de ruimte zou het Heelal dan moeten instorten Oplossing van Einstein (voor korte tijd) : De kosmologische constante

“ Het statisch heelal-model ” wordt vlug in vraag gesteld v = H0 .d Er zijn VERMOEDENS dat melkwegstelsels zich van ons verwijderen (roodverschuiving in het spectrum) 1929 : Bevestiging van dit vermoeden door de waarnemingen van Hubble Wet van Hubble : v = H0 .d H0 = constante van Hubble = +/- 71 km/s/Mpc 1931 : Einstein : “Λ , de grootste blunder van mijn leven” L

Wat betekent : “sterrenstelsels verwijderen zich”? Lemaître koppelt waarnemingen van Hubble aan de alg. relativiteitstheorie Lemaître bewijst dat, volgens de A.R., NIET de sterrenstelsels zich van ons verwijderen MAAR dat de RUIMTE ZELF zich uitzet. Sterrenstelsels zijn “co-mobiel” Overal in de ruimte hetzelfde effect

1931 : Lemaître gaat terug naar het verleden ? “Oeratoom” van Lemaitre Het heelalmodel van Lemaître is geen onverdeeld succes … tot 1965 : - Einstein: “ Uw wiskunde is prachtig maar klopt helaas niet met de realiteit” - Ouderdom heelal ? Eerste berekeningen wijzen op ouderdom van 2 miljard jaar - - Verwarring door de benaming “Big Bang” (F. Hoyle) - Had de theorie van Lemaître een godsdienstige achtergrond? Veel (meta)fysische discussies : Schepping? Wat was er daarvoor? Wat is “Niets”? - Vanwaar komt de materie ?

Hoe ontstond “massa” uit “energie”? 1964 : Englert en Brout veronderstellen (als eersten) het bestaan van een “veld”, aanwezig bij de oerknal H.E.B. - veld François Englert Door interactie met dit veld kunnen energie-deeltjes massa verkrijgen (symmetrie overwegingen) 2012- 2013 : Bevestiging in de LHC collider van het bestaan van het deeltje dat bij het HEB-veld hoort Robert Brout ( + ) Higgs-deeltje Het massa-makend “godsdeeltje” is gevonden! Peter Higgs (Nobelprijs 2013)

Ontstaan van de materie in 3 beelden ( Beeld : vergelijking met een zaal vol pratende fysici ) Higgsveld: Een zaal vol pratende fysici ( geen weerstand = geen massa): foton Einstein komt “virtueel” binnen. Iedereen wil hem zien. Er is weerstand tegen beweging. Verschillende weerstanden = verschillende energie = verschillende soorten “reële” deeltjes die ontstaan Door “roddelpraat” kunnen ook tijdelijk groepjes ontstaan. Het zijn “virtuele” higgsdeeltjes die de ruimte vullen

1965 : definitieve doorbraak van de theorie van Lemaître “Oeratoom” van Lemaitre Penzias en Wilson ontdekken “toevallig” ”de kosmische achtergrondstraling” (Nobelprijs in 1978) “Rest van oerknal”, voorspeld in 1948 door Gamov ( Lemaître stierf in 1966 ) Recentere bevestigingen van de van de Big Bang theorie 1989 : Cobe satelliet : Δ (temperatuur) : 0,001°K 2001 : WMAP satelliet Δ (temperatuur) : 0,0001°K 2009 : Planck satelliet Δ (temperatuur) : 0,00001°K

MAAR een groot probleem van het heelalmodel blijft nog onopgelost “Oeratoom” van Lemaitre Volgens de Alg. Relativiteitstheorie : - kan het “begin van het heelal” geen oeratoon zijn - moet het wel een punt zijn met een oneindig hoge temperatuur Dit is onmogelijk! Hier schiet de alg. relativiteitstheorie tekort. Waarom?

Grootste probleem met heelalmodel van Lemaître Situatie vandaag Onbekend terrein We weten niets Muur van Planck (na 10-43 seconde) In de wereld van het “kleine” (= in atomen) speelt vooral de Kwantummechanica een belangrijke rol Theorie van Lemaître steunt enkel op de Algemene Relativiteitstheorie Prachtig instrument in onze “gewone” wereld De 2 theorieën zijn vandaag ( nog ) niet compatibel

Lichtpunt : Brengt de « nieuwe » snaartheorie het antwoord? Situatie vandaag Onbekend terrein We weten niets Muur van Planck (na 10-43 seconde) Met de snaartheorie - Worden de « Alg. Relativiteitstheorie » en « Kwantummechanica » coherent - De oorspronkelijke contradictie verdwijnt - Het « begin » wordt een « klein iets» met een « eindige » temperatuur - Wat wij «begin» wordt dan enkel een faseovergang van een vroeger «iets » naar «iets anders». «Iets» dat op zichzelf terugkaatst? Gaan wij ooit het « absoluut » begin kunnen achterhalen? Hoe « iets » ontstond uit « niets »? De « Schepping »?

Wat is de snaartheorie? ( Stringtheorie ) Over de snaartheorie : - intellectuele hoogmoed? - stukje 21ste eeuw fysica, verschenen in de 20ste eeuw? Essentie snaartheorie: - Er bestaan geen elementaire deeltjes, - Er bestaan enkel kleine vibrerende snaartjes Lengte : +/- 10-35 m. - Snaartjes krijgen een massa door te vibreren ( massa = energie ) - Anders vibreren = ander deeltje - Snaren veronderstellen een méér-dimensionale ruimte ( 11 - dimensies waarvan er 7 opgerold zijn ) Calabi-Yau meetkunde Leven wij in een multiversum?

Welke toekomst voor het Heelal ? NU Volgens de Alg. Relativiteitstheorie : - ρk > 5 at. H/m3 : Positieve kromming Gesloten / Eindig / Big Crunch - ρk < 5 at. H/m3 : Negatieve kromming Open / Oneindig / Big Rip - ρk = 5 at. H/m3 : Nulkromming Vlak / (On-)eindig / ??? WMAP- (2001) en Planck (2009) satelliet wijzen op een “vlak” heelal ! NU Maar heeft het heelal een “kritische” massa-energiedichtheid van ρk = 5 atomen H / m3 ? Het heelal kan drie kanten uit : open /vlak / gesloten. Een Inventaris van de massa-energie is dus nodig

Inventaris van de massa-energie (homogeniteitsprincipe) - Massa-energie sterren en melkwegstelsels 0,5% . ρk Open Heelal? 5% . ρk - Massa-energie intergallactisch stof 4,5% . ρk Donkere materie (Zwicky / Coma cluster) ( ρk = 5 at. H/m3 )

Coma cluster – Zwicky, de man met een rot karakter Coma cluster : méér dan 1000 stelsels 1933 : Rotatiesnelheid van afzonderlijke stelsels is te groot. - Men kan rotatie niet verklaren met de gewone materie Men veronderstelt dat daar nog een “niet gekende”, “dondere” materie

Inventaris van de massa-energie (homogeniteitsprincipe) - Massa-energie sterren en melkwegstelsels 0,5% . ρk 5% . ρk - Massa-energie intergallactisch stof 4,5% . ρk 29% . ρk Donkere materie (Zwicky / Coma cluster) 24% . ρk Open Heelal? Is er iets dat ons ontsnapt? Zijn bevindingen WMAP en Planck correct? Is het heelal open? ( ρk = 5 at. H/m3 )

Perlmutter, Riess en Schmidt Voeren in 1988 een systematisch onderzoek naar de : - Expansie van Heelal. - Rol van de zwaartekracht Twee projecten : - High z supernovae search project - Supernova cosmology project Bedoeling : over een brede gamma van afstanden : - Afstand meten tot sterren ( sinds wanneer werd licht uitgezonden?) - Verwijderingssnelheid meten (expansiesnelheid van het Heelal meten) Hoe afstanden nauwkeurig meten tot zeer veraf gelegen sterren ? Supernovae sterren Type Ia

Twee eigenschappen van de ruimte met Supernovae sterren Type Ia 1. Afstand : SNIa hebben steeds dezelfde helderheid bij de ontploffing 2. Expansiesnelheid : Roodverschuiving meten in het spectrum van de ster - Een SNIa ontploft steeds wanneer de massa van een witte dwergster een bepaalde limiet heeft bereikt - Elke SUPERNOVAE Ia ster moet dus noodzakelijk eenzelfde maximum helderheid hebben Verschil “absolute helderheid” en “waargenomen helderheid” is te wijten aan de afstand tot de ster SN Ia zijn “standaardkaarsen”, geschikt om - verre afstanden te meten - tijdsverloop te meten : hoelang was sterlicht onderweg?

Twee eigenschappen van de ruimte met Supernovae sterren Type Ia 1. Afstand : SNIa hebben steeds dezelfde helderheid bij de ontploffing 2. Expansiesnelheid : Roodverschuiving meten in het spectrum van de ster Ontbinding van licht in kleuren Spectrum van het licht Roodverschuiving meet de snelheid van een zich verwijderend object ( Doppler ) Verwijderingsnelheid van melkweg = “Expansiesnelheid” van het Heelal

Resultaat van het onderzoek van de roodverschuiving van SNIa Onthutsende vaststelling : - Het heelal ondergaat sinds +/- 7 miljard jaar een “versnelde” expansie Verwijderde sterrenstelsels staan +/- 25% te ver - Er is onvoldoende “klassieke” materie/energie in het Heelal om deze versnelde uitzetting te verklaren ( Nobelprijs 2011 )

Even terug naar de Inventaris van de massa-energie - Massa-energie sterren en melkwegstelsels 0,5% . ρk Open Heelal? 5% . ρk - Massa-energie intergallactisch stof 4,5% . ρk 29% . ρk Donkere materie (Zwicky / Coma cluster) 24% . ρk 71% . ρk - Donkere (afstotende) energie De kosmologische constante terug van nooit weggeweest

Einde