Zou 't kunnen zijn dat het turbulente gedrag van het quark-gluon plasma, dat alomtegenwoordig was in het vroege heelal, de oorsprong is van de alomtegenwoordige magnetische velden overal in het Universum?
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.
- 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.
- 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.
- 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 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.
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 (QGP) in de vroege fase van het heelal heeft mogelijk een belangrijke rol gespeeld bij de oorsprong van magnetische velden.
Hier zijn enkele overwegingen:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Hedendaagse observaties:
- Het begrijpen van deze processen biedt inzicht in de aanwezige magnetische structuren die we waarnemen in sterrenstelsels en andere kosmologische fenomenen.
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.
Deze krachtvelden, dezelfde die we vinden in koelkastmagneten, omhullen de aarde, de zon en alle sterrenstelsels. Twintig jaar geleden ontdekten astronomen magnetisme dat uitgebreide clusters van sterrenstelsels doordringt, inclusief de ruimtes ertussen. Onzichtbare veldlijnen stromen door de intergalactische ruimte, vergelijkbaar met de lijnen van een vingerafdruk.
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.
Toen het universum een paar tellen later ging afkoelen, ontstond het kosmische web, waarin sterrenstelsels zich gingen vormen bijeengehouden door het alomvattende magnetische veld.
De verlichte vlekken op de afbeelding links zijn clusters van sterrenstelsels.
Een cluster kan enkele tientallen tot wel 1000 sterrenstelsels bevatten.
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?"
Recent is wél betoogd dat een klein primordiaal magnetisch veld kan volstaan om te verklaren waarom het universum aanzienlijk sneller uitdijt dan verwacht. Maar dát 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.
Alles over Sterrenkunde: Het ontwarren van het kosmische web
Een korte samenvatting:
Hoewel mysterieuze donkere materie het hoofdbestanddeel is van dit kosmische web, bevat het ook minstens 30% van alle 'normale' (zogenaamde 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.
Kosmische gassnelwegen in de EAGLE-simulaties.
Een substantieel deel van de kosmische baryonen zal zich naar verwachting verbergen in de vorm van diffuus warm-heet intergalactisch medium (WHIM), waarvan het grootste deel zich bevindt in de filamenten van het Kosmische Web en dat zeer moeilijk te detecteren is gebleken vanwege de lage dichtheid. Dicht bij clusters van sterrenstelsels wordt het filamentgas beïnvloed door het zwaartekrachtpotentieel van de cluster en bereikt het aanzienlijke invalsnelheden, waarbij het uiteindelijk een beëindigingsschok ondergaat die het röntgensignaal kan versterken
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 nauw verbonden met donkere materie, die essentieel is voor de zwaartekrachtseffecten die de vorming van sterrenstelsels stimuleren. 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.
Schokgolven rond filamenten zouden geladen deeltjes versnellen door de magnetische velden die het kosmische web doordringen. Wanneer dat gebeurt, zenden de deeltjes licht uit op golflengten die radiotelescopen kunnen detecteren
Het combineren van honderdduizenden radiotelescoopbeelden onthulde de zwakke gloed die werd geworpen als schokgolven geladen deeltjes sturen die door de magnetische velden vliegen die langs het kosmische web lopen.
In deze opname van het kosmische web zenden schokgolven langs filamenten en rond clusters radiolicht uit (roze) terwijl ze door magnetische velden golfen (cyaan).
Bron: ScienceNews
Donkere fotonen
Donkere Materie lijkt maar op één manier te kunnen reageren en dat is via de zwaartekracht, de zwakste kracht van de vier bekende natuurkrachten. Natuurkundigen weten al heel lang dat alle vier natuurkrachten worden overgebracht door een krachtdrager, telkens zijn dit een bosonen: het foton voor de EM-kracht, het gluon voor de sterke kracht en de W- en Z-bosonen voor de zwakke kracht. De zwaartekracht zou via het graviton (ook een boson) worden overgebracht, maar dat is een hypothetisch deeltje dat nog niet is waargenomen.
Theoretisch zou DM echter ook kunnen reageren via een vijfde natuurkracht, een ‘donkere kracht’, die wordt overgebracht door een donker foton. Net zoals fotonen reageren met geladen deeltjes zouden donkere fotonen ook met deeltjes kunnen reageren met hun massa als lading, omdat donkere fotonen wél massa zouden hebben, in tegenstelling met gewone fotonen. Donkere fotonen kunnen wél slechts over zeer korte afstanden reageren, omdat ze snel vervallen in andere deeltjes. Gewone fotonen hebben geen rustmassa, ze bewegen zich in vacuüm met de lichtsnelheid voort en vervallen niet, maar zijn stabiel.
Elektron-positron-annihilatie: wanneer een elektron (e−) en een positron (e+ het antideeltje van het elektron) botsen. Bij lage energieën is het resultaat van de botsing de vernietiging van het elektron en het positron, en de creatie van twee energetische fotonen.
Wanneer een elektron en een positron elkaar annihileren, worden hun massa’s volledig omgezet in energie E =mc2 wat resulteert in de productie van twee fotonen in plaats van één, en dit heeft te maken met de wetten van behoud van energie en impuls.
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 initiële impuls van het elektron-positron-paar.
Behoud van energie: De energie van de twee fotonen komt overeen met de totale energie van het elektron en positron. Elk foton heeft een energie van 511 keV, wat overeenkomt met de rustmassa-energie van een elektron of positron.
Het foton dat met een zwarte pijl wordt gelanceerd is een hypothetisch donker foton.
De vorming van een elektron-positron paar door een donker foton kan worden gezien als een soort deeltjesverval. Dit proces draagt bij aan het begrip van de interacties tussen donkere materie en gewone materie en kan een verklaring bieden voor het bestaan van donkere materie in het heelal.