Inhoudsopgave

Video Kleurladingen

Het turbulente Quark-gluon-plasma

Video Quark-gluon-plasma

Het Kosmische web

Interactie Kosmische web met Donkere Materie

Donkere fotonen

Scientists discovered a Mysterious Source of Heating

Het QGP kan gezien worden als een hydrodynamische stroming, een turbulente stroming van botsende quarks, antiquarks en gluonen die het vroege universum voor enkele milliseconden opvulde.

1. Hydrodynamische Eigenschappen:
   • QGP kan worden gemodelleerd als een vloeistof met hydrodynamische eigenschappen. Dit betekent dat het zich gedraagt als een continu medium, waarbij de beweging van quarks en gluonen vergelijkbaar is met de stroming van een vloeistof.
2. Turbulentie:
   • In de vroege fasen van het heelal was het QGP extreem heet en dicht, wat leidde tot turbulente stromingen. Deze turbulentie kan worden veroorzaakt door de chaotische interacties tussen de snel bewegende deeltjes.
3. Botsingen en Interacties:
   • De botsingen tussen quarks, antiquarks en gluonen binnen het QGP creëren een complexe dynamiek, vergelijkbaar met hoe deeltjes in een vloeistof met elkaar interageren. Dit draagt bij aan de vorming van structuren en patronen in het plasma.

Kleurladingen

Quark-gluonplasma (QGP) is een substantie die bestaat uit elementaire deeltjes: quarks en gluonen, welke laatste de quarks bijeenhouden door middel van de sterke kernkracht. Zowel quarks als gluonen hebben drie extra ladingstoestanden: positieve en negatieve roodheid, groenheid en blauwheid. Deze 'kleuren' zijn enkel benamingen en hebben geen verband met de zichtbare kleuren.

In tegenstelling tot elektrische ladingen, die enkel positief of negatief zijn, kunnen quarks zowel een positieve als negatieve elektrische lading dragen (vergelijkbaar met protonen en elektronen). Gluonen dragen geen elektrische lading, maar hebben, net als quarks, een kleurlading in drie varianten: rood, groen en blauw, en hun respectievelijke antikleuren: antirood, antigroen en antiblauw.

Sterrenkundigen en natuurkundigen namen lange tijd aan dat een quark-gluonplasma (QGP) zich als een gas zou manifesteren. Experimenten met ALICE (A Large Ion Collider Experiment) hebben echter aangetoond dat QGP zich meer als een vloeistof gedraagt die zich een weg baant door het universum.

Video: Kleurladingen

Quarks en gluonen zijn de bouwstenen van protonen en neutronen, die op hun beurt de bouwstenen zijn van atoomkernen. De huidige opvatting van wetenschappers is dat quarks en gluonen ondeelbaar zijn - ze kunnen niet worden opgesplitst in kleinere componenten. Het zijn de enige fundamentele deeltjes die iets hebben dat kleurlading wordt genoemd. 

Elk fundamenteel deeltje heeft een netto kleurlading van nul. Elke baryon, zoals een proton of neutron, bevat één quark met een rode, één met een groene en één met een blauwe kleurlading. Dit is vergelijkbaar met conventionele kleuren: rood plus groen plus blauw is gelijk aan wit, een neutrale kleur met een netto kleurlading van nul. Net zoals de combinatie van de primaire kleuren rood, groen en blauw wit licht creëert, moeten antibaryonen één antiquark met een antirode, één met een antigroene en één met een antiblauwe kleurlading bevatten, wat leidt tot een netto kleurlading van nul.

Het turbulente Quark-gluon-plasma

Een quark-gluonplasma zou als een vloeistof hebben gestroomd. Dit wordt het best omschreven door een ideaal klassiek vloeistofmodel met bijna geen viscositeit (stroperigheid). Er wordt aangenomen dat een vergelijkbare materietoestand het gehele universum vulde gedurende de eerste drie microseconden. Het Reynoldsgetal voor deze oervloeistof wordt geschat op een orde van 10¹⁹ 

Bij hoge Reynoldsgetallen neigen gelaagde stromingen instabiel te worden, wat leidt tot turbulentie. Dit wijst erop dat het vroege universum extreem turbulent was. Zou het kwantumgedrag dat we tegenwoordig waarnemen, een indicatie kunnen zijn van een turbulente toestand in het vroege universum, als een waarschijnlijkheid in de verdere  evolutie van het universum? Dit komt overeen met de vraagstelling die ik stelde aan het begin van dit blog. 

Het is dus het gedrag van het kwantum, dat zich eigenlijk al kenbaar maakte tijdens en misschien zelfs al vóór het begin van dit universum...................In ieder geval met de stroming van de inflatie mee

Het turbulente quark-gluon-plasma (QGP) in de vroege fase van het heelal heeft mogelijk een belangrijke rol gespeeld bij de oorsprong van magnetische velden.

Hier zijn enkele overwegingen:

1. Turbulentie in QGP:
   • In de vroege toestand van het heelal was het quark-gluon plasma extreem heet en dicht. De chaotische en turbulente beweging van de geladen deeltjes in dit plasma kan sterke magnetische velden creëren.
2. Het genereren van magnetische velden:
   • Onder invloed van de turbulente beweging en de dynamica van de deeltjes zou het plasma zelf sterke magnetische velden kunnen genereren via processen zoals dynamo-effecten.
3. Verspreiding over de verschillende schalen:
   • Het resulterende magnetische veld kan zich over de verschillende gevormde en in de loop van de tijd nog te vormen schalen van het universum verspreiden, wat zou kunnen leiden tot de alomtegenwoordige magnetische velden die we vandaag de dag waarnemen in het heelal.
4. Interacties binnen de materie:
   • De magnetische velden kunnen ook invloed hebben op de interacties tussen quarks en gluonen, wat van belang is geweest voor de vorming van protonen, neutronen en uiteindelijk van alle materie.
5. Hedendaagse observaties:
   • Het begrijpen van deze processen biedt inzicht in de aanwezige magnetische structuren die we waarnemen in sterrenstelsels en andere kosmologische fenomenen.

Video: Quark-gluon-plasma

Verspreiding over de verschillende schalen:

• Het resulterende magnetische veld kan zich over de verschillende gevormde en in de loop van de tijd nog te vormen schalen van het universum verspreiden, wat zou kunnen leiden tot de alomtegenwoordige magnetische velden die we vandaag de dag waarnemen in het heelal.

Het zou kunnen dat kosmisch magnetisme een fundamentele kracht is die teruggaat tot de aanvang van het universum. In dat geval zou zelfs in de donkerste en meest lege delen van het kosmische web een zwak magnetisme moeten bestaan. Dit alomtegenwoordige magnetisme zou de basis kunnen zijn geweest voor de sterkere magnetische velden die we tegenwoordig in sterrenstelsels en clusters observeren. De eerste quark-gluon-plasmagolven waren de allereerste aanzetten hiervoor.

Het Kosmische web

Toen het universum een paar tellen later ging afkoelen, ontstond het kosmische web, waarin sterrenstelsels zich gingen vormen bijeengehouden door het alomvattende magnetische veld. 

Deze visualisatie biedt een reis door het 'kosmische web', de uitgestrekte structuur van het universum. Elke lichtgevende knoop vertegenwoordigt een compleet sterrenstelsel, terwijl de paarse filamenten het materiaal tussen de sterrenstelsels onthullen. Hoewel normaal gesproken alleen de sterrenstelsels zichtbaar zouden zijn voor het menselijk oog, toont deze visualisatie de draden van materiaal die de sterrenstelsels met elkaar verbinden en zo het kosmische web vormen.

Deze visualisatie is gecreëerd op basis van een wetenschappelijke simulatie die de ontwikkeling van structuren in het universum volgt. Materie, donkere materie en donkere energie in een deel van het universum worden vanaf de vroegste momenten tot het heden gevolgd, gebruikmakend van de principes van zwaartekracht, hydrodynamica en kosmologie. De gewone materie is gefilterd om enkel de dichtste gebieden weer te geven, de sterrenstelsels, getoond in wit. Donkere materie wordt weergegeven in paars.

Bron: NASA/NCSA University of Illinois Visualisatie door Frank Summers, Space Telescope Science Institute

Rol van Magnetische Velden in het kosmische web:

• Magnetische velden kunnen de dynamiek van gas en stof in het kosmische web beïnvloeden. Ze kunnen helpen bij het stabiliseren van de structuren en het bevorderen van de vorming van sterrenstelsels door de beweging van ionen en geladen deeltjes te beïnvloeden.

• Magnetic Fields Found in Cosmic Filaments "Eén ding over kosmische magnetische velden dat we niet weten, is hun oorsprong - was er een primordiaal magnetisch veld in het zeer vroege heelal?"

  Het begrijpen van de mate waarin de filamenten van het web gemagnetiseerd zijn, zou uiteindelijk kunnen helpen om modellen van het vroege universum te verfijnen en mogelijk zelfs het probleem van de ongewoon snelle uitdijing van het universum te verklaren. Hoe kunnen de magnetische velden in de kosmische filamenten bijdragen aan het begrip van de evolutie van ons universum tot op heden?

Recent is betoogd dat een klein primordiaal magnetisch veld kan volstaan om te verklaren waarom het universum aanzienlijk sneller uitdijt dan verwacht. Dat is in het licht van Donkere energie, de term die gebuikt wordt voor de mysterieuze kracht die de versnelde expansie van het universum veroorzaakt. Donkere materie maakt het grootste deel uit van de massa van sterrenstelsels en hun clusters, en bepaalt hoe sterrenstelsels op grote schaal zijn georganiseerd. Hoewel de kennis over kosmische magnetische velden momenteel beperkt is, zal het komende decennium veel nieuwe inzichten brengen.

Maar zoals ik zelf al eerder betoogde: Het turbulente quark-gluon-plasma in de vroege fase van het heelal heeft mogelijk een belangrijke rol gespeeld bij de oorsprong van magnetische velden.

Magnetische velden in het kosmische web zijn afkomstig van plasma turbulentie dynamiek. Onderzoekers hebben ontdekt dat deze velden kunnen ontstaan ​​uit grootschalige bewegingen in een aanvankelijk ongemagnetiseerd plasma, en uiteindelijk sterk genoeg kunnen worden voor het dynamoproces om ze te versterken.

Hoewel het universum elektrisch neutraal is, kunnen atomen worden geïoniseerd tot positief geladen kernen en negatief geladen elektronen. Wanneer die ladingen worden versneld, creëren ze magnetische velden. Een van de meest voorkomende bronnen van magnetische velden op grote schaal komt van de botsingen in en  tussen interstellair plasma. Dus een groot deel van het kosmische web is geïoniseerd, en dit zou enorme, maar wel zwakke intergalactische magnetische velden moeten creëren.

De uitgestrekte filamenten van het kosmische web bestaan voornamelijk uit donkere materie en gassen die zich in de ruimte tussen de sterrenstelsels bevinden. Met de Cosmic Origins Spectrograph, een wetenschappelijk instrument dat werd geïnstalleerd op de Hubble Space Telescope, worden een aantal elementen van het periodiek systeem, zoals koolstof en zuurstof en stikstof, silicium en zwavel, waarneembaar! De gassen zijn geïoniseerd: veel van de elektronen van deze elementen zijn afgestroopt door röntgenstralen en ultraviolette straling. 

Bron: Cosmic Web | Multiwavelength Astronomy 

Alles over Sterrenkunde: Het ontwarren van het kosmische web 

Untangling the cosmic web 

Een korte samenvatting:

Hoewel mysterieuze donkere materie het hoofdbestanddeel is van dit kosmische web, bevat het ook minstens 30% van alle 'normale' baryonische materie in het heelal.

Simulaties zoals IllustrisTNG en EAGLE, uitgevoerd door internationale samenwerkingen op enkele van de krachtigste supercomputers ter wereld, onthullen het proces in detail, waarbij niet alleen rekening wordt gehouden met de zwaartekracht van donkere materie, maar ook met de 'push' van donkere energie - de mysterieuze kracht achter de waargenomen versnelling van kosmische expansie. Volgens de Nederlandse hoofdonderzoeker van de EAGLE-simulatie, Joop Schaye, twijfelt niemand aan het bestaan ​​van intergalactisch materiaal in het kosmische web. "Maar natuurlijk willen waarnemers het altijd eerst echt zien", zegt hij.

Door middel van sterrenwinden en supernova-explosies blazen sterrenstelsels bewerkt gas terug de ruimte in. Een deel van dit materiaal komt weer in het kosmische web terecht, waardoor de filamenten worden verrijkt met zware elementen die worden geproduceerd door stellaire nucleosynthese.

Interactie Kosmische web met Donkere Materie

The Cosmic Web of Galaxies, Dark Matter and How It Emerged

Het kosmische web van sterrenstelsels, donkere materie en hoe het is ontstaan

Het Kosmische Web is een complexe, onderling verbonden structuur die het universum doordringt en sterrenstelsels en clusters verbindt via filamenten en vellen. Zwaartekracht en beginvoorwaarden hebben dit webachtige patroon gevormd, waarbij donkere materie een cruciale rol speelt bij de groei van structuren. Inzicht in de vorming en evolutie van het Kosmische Web biedt waardevolle inzichten in de grootschalige structuur van het universum en de processen die het gedurende miljarden jaren hebben gevormd.

Magnetische velden kunnen invloed hebben op de interacties tussen gewone materie en donkere materie. Wanneer materie in het heelal samenvloeit, genereert dit een schokgolf die deeltjes versnelt en daarmee intergalactische magnetische velden versterkt. In het kosmische web zorgt de zwaartekracht ervoor dat filamenten naar elkaar toe trekken, wat schokgolven veroorzaken die het magnetische veld binnen het web intensiveren.

Donkere fotonen

Hypothetische 'donkere fotonen' zouden licht kunnen werpen op de meest mysterieuze substantie in het universum: donkere materie. Deze hypothetische deeltjes zouden kunnen fungeren als een brug tussen donkere materie en de alledaagse materie die bestaat uit sterren, planeten en alle levende organismen. Donkere materie is momenteel een groot raadsel voor natuurkundigen, omdat het, hoewel het ongeveer 85% van de materie in ons universum uitmaakt, grotendeels onzichtbaar blijft. Dit heeft wetenschappers aangezet tot het zoeken naar deeltjes die donkere materie zouden kunnen bevatten. Deze deeltjes zouden talrijker moeten zijn dan de deeltjes die standaardmaterie vormen in een verhouding van ongeveer 5 op 1.......

In verschillende modellen die door astrofysici zijn onderzocht, zijn donkere fotonen tot een trucje in staat: ze kunnen 'af en toe' in een gewoon foton veranderen. Ze zouden van identiteit kunnen wisselen om 'gewone fotonen te worden', en op deze manier ook als warmtebron gaan dienen. 

De omzetting van een foton in een elektron en een positron staat bekend als paarproductie. Dit proces kan plaatsvinden wanneer een foton met voldoende energie interageert met het sterke elektrische veld in de buurt van de kern van een atoom. De belangrijkste vereiste voor dit proces is dat de energie van het foton ten minste 1,022 MeV moet zijn.

De energie van het foton wordt omgezet in deeltjesmassa volgens de vergelijking E = mc² Het foton moet een hogere energie hebben dan de som van de rustmassa-energieën van een elektron en positron (2 × 511 keV = 1,022 MeV)

Wanneer een foton met een hogere energie interageert met het elektrische veld van een atoomkern, kan het spontaan veranderen in een paar van een elektron en een positron, waarbij energie en impuls behouden blijven. Als de energie van het foton aanzienlijk meer is dan 1,022 MeV, wordt de extra energie omgezet in de kinetische energie van zowel het elektron als het positron.

Behoud van impuls: In een systeem zonder externe krachten moet de totale impuls behouden blijven. Als een elektron en een positron annihileren en slechts één foton zouden produceren, zou het moeilijk zijn om zowel de energie als de impuls te behouden. Twee fotonen die in tegengestelde richtingen worden uitgezonden, zorgen ervoor dat de totale impuls van het systeem nul blijft, wat overeenkomt met de oorspronkelijke impuls van het elektron-positron-paar.

Behoud van energie: De energie van de twee fotonen komt zowat overeen met de totale energie van het elektron en positron samen. De energie van 1 foton dat bijdraagt aan de productie van een elektron-positronpaar, is namelijk niet precies 511 keV maar de energie die beschikbaar is om het paar te creëren is net iets hoger. Elk foton heeft een energie van 511 keV, wat overeenkomt met de rustmassa-energie van een elektron of positron. De rustmassa-energie van een elektron of positron bedraagt 0,51 MeV, wat gelijk is aan 511 keV

Terwijl het elektron en positron door materie bewegen, zullen ze interacties ondergaan met andere deeltjes. Dit kan leiden tot ionisatie, excitatie van atomen, en andere vormen van energieoverdracht zoals de overdracht van warmte. 

Hier zijn enkele aspecten van hoe deze energie- en warmteoverdracht plaatsvindt:

• Ionisatie en Excitatie: Wanneer een elektron of positron ionisatie of excitatie veroorzaakt, wordt een deel van de energie van het deeltje overgedragen aan de atomen of moleculen in de materie. Deze energieoverdracht kan resulteren in verhoogde kinetische energie van die atomen, wat leidt tot een verhoging van de temperatuur van het materiaal.
• Verlies van Kinetische Energie: Terwijl de deeltjes door materie bewegen, verliezen ze geleidelijk hun kinetische energie door deze interacties. Deze verloren energie wordt omgezet in thermische energie (warmte).
• Verwarming van Materiaal: De accumulatie (ophoping) van deze energieoverdracht in een bepaald gebied kan leiden tot een merkbare verhoging van de temperatuur. Dit is relevant in situaties zoals stralingsbehandeling, waar de verhitting van weefsel kan bijdragen aan de effectiviteit van de behandeling.
• Thermische Straling: Bij hoge temperaturen kunnen de verwarmde materialen ook thermische straling uitzenden, wat bijdraagt aan verdere energieoverdracht en verwarming van de omgeving.
• De interacties van elektronen en positronen met materie leiden niet alleen tot ionisatie en excitatie, maar ook tot warmteoverdracht. Deze processen kunnen de temperatuur van de omgeving verhogen

Wetenschappers bestuderen de hypothese dat donkere fotonen mogelijk verantwoordelijk zijn voor een onverklaarde opwarming in het heelal. Deze opwarming zou het verschil kunnen verklaren tussen de verwachte en de gemeten hoeveelheid materie in clusters en sterrenstelsels. Dit komt doordat de totale massa van het universum, afgeleid uit de bewegingssnelheden van sterrenstelsels, aanzienlijk hoger is dan de schattingen gebaseerd op de straling die deze stelsels uitzenden.

De hypothese dat donkere fotonen bijdragen aan de verwarming van intergalactische gaswolken is nog steeds onderwerp van onderzoek. Er zijn meerdere hypothesen die de opwarming van deze gaswolken kunnen verklaren.

1. Supernova-explosies
Energie van Supernovae: Supernova-explosies kunnen enorme hoeveelheden energie vrijgeven, die het omringende gas kunnen opwarmen. Deze explosies kunnen ionisatie en schokgolven veroorzaken die de temperatuur van gaswolken verhogen.
2. Stellaire Straling
UV-straling van Sterren: Jonge, hete sterren in sterrenstelsels kunnen krachtige ultraviolet (UV) straling uitzenden die het intergalactische gas opwarmt. Deze straling kan ionisatie en verhitting veroorzaken.
3. Kosmische Straling
Hogere-energie Deeltjes: Kosmische straling, bestaande uit hoogenergetische deeltjes, kan interacties aangaan met intergalactisch gas, wat leidt tot verhitting. Dit kan ook bijdragen aan de ionisatie van gasdeeltjes.
4. Dynamische Verwarming
Turbulentie en Schokgolven: De beweging van gas in het kosmische web, inclusief turbulentie en schokgolven, kan ook bijdragen aan de verhitting van gaswolken. Dit kan het gevolg zijn van de interactie tussen verschillende gasstromen en de dynamiek van sterrenstelsels.
5. Verwarming door Donkere Materie
Interacties met Donkere Materie: Donkere materie kan ook een rol spelen in de opwarming van intergalactische gaswolken. De interacties tussen gewone materie en donkere materie kunnen energie overdragen, wat bijdraagt aan de temperatuur van het gas.
6. Verwarming door Zwarte Gaten
Actieve Galactische Kernen (AGN): Zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels kunnen als actieve galactische kernen functioneren, waardoor krachtige straling en uitbarstingen ontstaan die gaswolken kunnen verwarmen.
7. Kosmologische Inflatie
Opwarming door Inflatie: Sommige theorieën suggereren dat de opwarming van intergalactische gaswolken kan zijn beïnvloed door processen die verband houden met de kosmologische inflatie, hoewel dit nog niet volledig is uitgewerkt.

Scientists discovered a Mysterious Source of Heating

Recente ontdekkingen tonen aan dat het intergalactische gas in ons universum iets heter is dan verwacht. Een groep astrofysici heeft een nieuw idee ontwikkeld door middel van computersimulaties om dit fenomeen te verklaren. Ze suggereren dat 'donkere fotonen', een ongewoon type donkere materie, een soort van ‘nieuwe vijfde kracht’ in de natuur introduceren. Deze fotonen kunnen transformeren in gewone fotonen en aldus warmte toevoegen aan het universum. Bovendien kan materie uit licht worden gecreëerd. Dit is mogelijk dankzij Einsteins vergelijking E=mc^2, die stelt dat energie en massa equivalent zijn. Dit betekent dat licht, een vorm van energie, kan worden omgezet in massa.