Op deze zonnige namiddag trakteerde Rosa voor haar verjaardag. Proficiat!
We verwelkomden ook voor het eerst Beatrice Heinze.
 

Emergente gravitatie volgens Verlinde
Bart Buelens
In het najaar van 2016 publiceerde prof. Eric Verlinde van de Universiteit van
Amsterdam een artikel waarin hij een nieuwe theorie over zwaartekracht uit de
doeken doet. In 2010 had hij de aanzet daartoe al gegeven in een ander artikel.
Zijn theorie is bekend onder de naam “emergent gravity”, wat ik hier maar
vertaal als “emergente gravitatie”. In deze presentatie heb ik een poging
gedaan deze theorie uit te leggen, zonder daarom alle details ervan zelf
volledig te doorgronden.
 

Verlinde bouwt voort op ideeën die de laatste decennia door anderen zijn
ontwikkeld, in verschillende deelgebieden van de fysica. Ten eerste, het werk
van Hawking en Bekenstein over de entropie van zwarte gaten, en het inzicht
dat die entropie verband houdt met de waarnemingshorizon, die op zijn beurt
weer bepaald wordt door de massa van een zwart gat. De massa bepaalt echter
ook de zwaartekracht in de buurt van een zwart gat. Later is aangetoond dat de
vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie afgeleid kunnen worden in
termen van entropie. Ten tweede baseert Verlinde zich op de snaartheorie,
waar in de jaren 1990 kwantummechanische beschrijvingen van zwarte gaten
zijn opgesteld en waarbij zwaartekracht als het ware ontstaat, of tevoorschijn
komt, op macroscopische schaal: gravitatie als emergent fenomeen. Ten derde
is er het holografisch principe van Gerard ’t Hooft, dat stelt dat alle informatie
in een ruimte, en bij uitbreiding in het heelal, beschreven kan worden op een
schil eromheen, een beetje zoals een hologram.
 

Door het combineren, aanpassen en vervolledigen van deze ideeën komt
Verlinde tot zijn theorie. Volgens hem is gravitatie een fenomeen dat ontstaat
uit de kwantumentropie van de ruimte, die beschreven wordt in termen van
kwantumbits. En dat niet alleen bij zwarte gaten, maar overal en universeel.
Elke aanwezige massa vergroot de entropie en daarmee de gravitatie.
Bovendien formuleert hij een uitbreiding van het holografisch principe, waarbij
een rol is weggelegd voor donkere energie: de onbekende kracht die het heelal
versneld doet uitdijen. Donkere energie vergroot de entropie en levert
daardoor een bijdrage aan de gravitatie.
 

Deze theorie is tamelijk alomvattend en lost meerdere mysteries in de
natuurkunde tegelijk op. Een belangrijk aspect is dat deze theorie donkere
materie overbodig maakt. Donkere materie is ingevoerd als idee om
rotatiecurves van sterrenstelsels te verklaren, maar het bestaan van donkere
materie is nog niet experimenteel bevestigd. Volgens Verlinde bestaat donkere
materie niet en is de zoektocht ernaar nodeloos. Daarnaast verenigt Verlinde
het concept van gravitatie met de kwantummechanica. Algemeen werd (of
wordt…) gravitatie beschouwd als een van de vier fundamentele krachten,
naast sterke en zwakke kernkracht, en elektromagnetisme. Doordat gravitatie
geen fundamentele kracht is volgens Verlinde, maar ontstaat uit andere
verschijnselen, zijn er nog maar drie fundamentele krachten over, en die blijken
in staat gravitatie te doen ontstaan als bijkomend verschijnsel. Tenslotte heeft
in de nieuwe theorie donkere energie een rol, namelijk het leveren van een
bijdrage aan de entropie en daardoor aan de grootte van de zwaartekracht.
 

Elke goede theorie moet zich in de praktijk bewijzen. De theorie van Verlinde
verklaart de rotatiecurves van sterrenstelsels, het effect van gravitatielenzen,
en wie weet nog wel andere observaties, zoals de recente vaststelling dat oude
sterrenstelsels langzamer roteren dan jongere. Er zijn echter ook
waarnemingen die door de concurrent donkere materie wel goed beschreven
worden, maar nog niet zijn uitgewerkt door Verlinde. Bijvoorbeeld bepaalde
patronen in de kosmische achtergrondstraling, of gevallen met een complexe
massaverdeling die niet sferisch-symmetrisch is, zoals in ons eigen
zonnestelsel, of in de bekende bullet-cluster.
 

Het laatste woord hierover is nog niet gezegd. Momenteel lopen er
experimenten die tientallen miljoenen euro’s kosten, om donkere materie te
detecteren. Een futiele zaak? Of gaan ze toch iets vinden en daarmee
Verlinde’s artikelen naar de prullenmand verwijzen? Afwachten maar.
 

De presentatie die ik heb gehouden is hier terug te vinden:
https://speakerdeck.com/bbuelens
 

Tony wist nog mee te delen dat Erik Verlinde komt spreken bij Studium
Generale in Maastricht, in oktober 2017.
 

Sterrenkundereis Chili
23 februari - 6 maart 2017
Met Govert Schilling en Marieke Baan
Deel 1: Martin Bas

Atacama woestijn in het noorden van Chili
• 970 km lange, droge woestijn met een oppervlakte van 105.000 km2
• Er valt gemiddeld minder dan 5 mm neerslag per jaar.
• Quillagua zou de droogste plek op aarde zijn (sinds 1970 slechts 3x regen).
• Dit klimaat is een gevolg van:
de koude Humboldtstroom en het hoge kustgebergte langs de westkust
de natuurlijke barrière van het Andesgebergte in het oosten
 

San Pedro de Atacama
• Oase in de Atacama woestijn
• 2.500 m boven zeeniveau
• ca. 6.000 inwoners
• oorspronkelijke bewoners waren de atacameños waarvan de oorsprong
teruggaat tot het jaar 500 n.c.
• nu een toeristische trekpleister en startpunt van vele excursies
 

Gevaren van werken op 5.000 m hoogte.
§ schadelijke UV-straling
Daarom:
• tal van dispensers met zonnebrandcrème factor 50+
• beschermende zonnebrillen ter beschikking
• slechts beperkte tijd blootgesteld aan UV

§ 50% lagere luchtdruk, waardoor het bloed minder zuurstof opneemt
§ 50% minder zuurstof in de lucht

dit verhoogt het gevaar op hoogteziekte
• hoofdpijn
• duizeligheid
• misselijkheid
• futloosheid
• verlies van coördinatie
• hallucinaties
 

Daarom: extra zuurstof (draagbare zuurstoffles)
Met de ALMA kan men de straling van de koudste objecten in het heelal
waarnemen.
Die straling heeft een golflengte van ongeveer één millimeter en wordt mm- of
submillimeter straling genoemd (0,3 – 3,6 mm).
Dit is het gebied tussen IR en microgolfstraling, met frequenties tussen 84 GHz
en 950 GHz.
Astronomen kunnen zo de chemische en fysische omstandigheden in
moleculaire wolken onderzoeken (stervomingsgebieden, protoplanetaire
schijven, enz.).
Men kan er echter ook jets bij zwarte gaten of onze eigen zon mee onder de
loep nemen.
Omdat deze straling sterk geabsorbeerd wordt door de waterdamp in de
aardatmosfeer, heeft men ALMA hier op deze hoge en droge locatie gebouwd.
Kostprijs: 1,4 à 1,5 miljard $
 

De resolutie (oplossend vermogen) van een telescoop wordt bepaald door de
golflengte van het signaal en de diameter van de telescoop.
Zo heeft bv. de Hubble telescoop (zichtbaar licht) een resolutie van 0,05”.

De golflengte van submillimeter golven zijn echter veel groter (ca. factor
2.000).
Om dezelfde resolutie te behouden als die van de Hubble, heeft men bijgevolg
een radioantenne nodig van 2,4 x 2.000 = 4.800 m ! Hetgeen onmogelijk is
natuurlijk.
Om deze reden gaat men met meerdere antennes werken, waarvan men de
“beelden” samenvoegt d.m.v. interferometrie. Hiermee is een resolutie van
0,01” mogelijk.
 

ALMA bestaat uit 66 verplaatsbare antennes.
• 25 antennes (diameter 12 m) gebouwd door het Europees consortium
• 25 antennes (diameter 12 m) gebouwd door Noord Amerika
• 4 antennes (12 m) en 12 antennes (7m) door een Aziatisch consortium.
 

Deze laatsten vormen het ACA (Atacama Compact Array), een vaste configuratie, waarmee grote-schaal structuren worden geobserveerd.
De schotels werden allemaal in het basisstation geassembleerd (bouwpakket) over een periode van 5 jaar (2008 - 2013).
Elke schotel weegt ca. 115 Ton.

Per schotel waren 2 weken nodig voor de bouw, waarna men nog eens een
maand nodig had voor het testen van de elektronische apparatuur.
De basis van de schotel is vervaardigd uit met koolstofvezel versterkte
kunststof (carbon fiber).
De hoofdreflector bestaat uit afzonderlijke panelen van met rhodium gecoated nikkel.
De AEM (Europese schotel) bestaat uit 120 panelen van elk ca. 1 m2 oppervlakte, verdeeld over 5 cirkels.
De nauwkeurigheid van de parabool bedraagt 20 mm over het hele oppervlak.

Voor het transport van de antennes
maakt men gebruik van 2 transporters: Otto en Lore.
Gewicht: 130 Ton
Lengte: 20 m; Breedte: 10 m; Hoogte: 6 m
Aangedreven door 2 dieselmotoren van 500 kW
Uitgerust met 14 paar onafhankelijke wielen
Max. snelheid 20 km/u
Snelheid tijdens transport 5 km/u
De antennes worden met de transporters naar de Chajnantor hoogvlakte
gereden en kunnen daar verspreid opgesteld worden, gaande van zéér dicht bij
elkaar (150 m) tot heel ver uit elkaar (18 km).
 

Daarvoor zijn er 192 betonnen funderingen, voorzien van aansluitpunten voor
energie, sturing en datatransport.
Om de informatie van al deze antennes te kunnen samenvoegen, moet de
positie van elke antenne en de lengte van de aangesloten glasvezelkabel met
een nauwkeurigheid kleiner dan de golflengte van het ontvangen sub-mm
signaal gekend zijn.
Door de antennes op verschillende gekende heldere bronnen aan de hemel te
richten en de verschuivingen tussen de signalen van elke antenne te meten,
kan men het geheel toch exact callibreren
 

Het radiosignaal komt via de parabolische schotel en de secundaire spiegel op één van de ontvangers achter de schotel terecht.
Deze ontvangers bevinden zich in wat men de cryostaat noemt en die gekoeld wordt tot 4 K. De cryostaat kan max. 10 ontvangers bevatten (elk voor een andere frequentieband).
• Men kan maar 1 frequentieband tegelijkertijd ontvangen (deze wordt via
de secundaire spiegel op de juiste ontvanger gericht).
• Ook al is de lucht hier zeer droog toch moet men met behulp van
waterdamp radiometers (WVRs) de fluctuaties van de atmosferische
waterdamp nauwkeurig meten en corrigeren om afwijkingen tussen de
verschillende antennes te vermijden.
• Beste waarnemingsperiode is van mei tot september.
• Het signaal wordt vervolgens in de “back end” omgezet naar een lagere
frequentie (<15 GHz) en geconverteerd naar een digitaal signaal dat via
glasvezels kan worden verstuurd naar de centrale verwerkingseenheid
(correlator).
 

In het labo (clean room) wordt alles nauwkeurig afgesteld.
Op 5.000 m bevindt zich ook de technische ruimte die de correlator huisvest.
Deze supercomputer verzamelt de informatie van elke antenne en combineert
die met die van elke andere antenne.
• 134 miljoen processors
• 17 biljard bewerkingen per seconde
• totaal energieverbruik 130 kW
• lucht is zo ijl dat er een 2x zo sterke luchtstroom nodig is voor de koeling
• kan geen gebruik maken van draaiende harde schijven (onvoldoende
luchtkussen tussen de schijf en lees/schrijfkop)
Bestaat eigenlijk uit 2 sub-correlators die zowel apart als simultaan kunnen
werken:
• BLC (baseline correlator) van het hoofd-array, waarop 64 antennes
aangesloten kunnen worden met 2.016 antennepaar combinaties.
• ACA correlator van het compact-array (16 antennes en 120 combinaties).
 

Astronomen, operatoren en programmeurs werken hier de klok rond.
In 2016 werd hier 50 TB aan data verzameld.
De data wordt via snelle glasvezelverbindingen naar de drie regionale centra
(ARC’s) in Europa, Amerika en Japan verstuurd.
Men verwacht dat de hoeveelheid data de komende jaren zal toenemen tot
200 TB/Y.
 

Toekomst ?
Momenteel zijn er testen om de ALMA telescoop in te passen in een
wereldwijd netwerk van radiotelescopen (Global mm-VLBI Array), met ALMA
als grootste en meest gevoelige instrument, om zo een virtuele telescoop met
de omvang van de aarde te bekomen.
VLBI = Very Long Baseline Interferometry
De eerste testen zijn veelbelovend, zo kon men samen met de 30-meter
radiotelescoop in Sierra Nevada Spanje de quasar 3C 273 simultaan
waarnemen en combineren in één enkel beeld met een resolutie van 34
microboogseconden (komt overeen met een scheiding van 10 cm op de maan
gezien vanaf de aarde).