Constante snelheid

Stephen Parker, één van de onderzoekers,
met een van de twee kristallen die werden
gebruikt om de lichtsnelheid te meten.
Foto: UWA School of Physics

Einstein zei het al in 1905: de lichtsnelheid (in vacuüm) is altijd constant voor iedereen. Daarmee gaf hij een verklaring voor het Michelson-Morley experiment. Dat had aangetoond dat de lichtsnelheid gelijk is in twee loodrecht op elkaar staande richtingen. Het experiment toonde aan dat de absolute ether niet bestond en dat alles relatief was...wat Einstein mooi in een theorie kon gieten.

Het Michelson-Morley experiment was een bewijs voor de zogenaamde Lorentzinvariantie, het idee dat het resultaat van natuurkunde-experimenten niet afhangt van de snelheid of de oriëntatie van het laboratorium in de ruimte.

Een team Duitse en Australische onderzoekers heeft nu het experiment van Michelson en Morley overgedaan met een immense nauwkeurigheid. Daarvoor koelden ze twee saffieren, loodrecht op elkaar geplaatst, af tot vier graden boven het absolute nulpunt. Ze gebruikten microgolven om beide saffieren te laten trillen. De juiste frequentie van die trillingen hangen af van de snelheid van het licht.

Door het experiment rond te draaien konden de onderzoekers zien of de trillingsfrequenties (en dus de lichtsnelheid) veranderden met de stand van de kristallen. Dat gebeurde niet. Hun conclusie was dat de lichtsnelheid in alle richtingen constant is, met een nauwkeurigheid van 1/1000 000 000 000 000 000. Daarmee konden de onderzoekers enkel maar de Lorentzinvariantie van de lichtsnelheid bevestigen.

Waarom is dit belangrijk? Vele natuurkundigen zoeken naar een allesomvattende theorie, die zowel de standaardtheorie van elementaire deeltjes omvat als zwaartekracht. Vele van die theorieën laten toe dat Lorentzinvariantie verbroken wordt, zeg maar dat de lichtsnelheid lichtjes varieert naargelang de omstandigheden. Sommige theorieën steunen zelfs op de verbreking van de Lorentzinvariantie. De nieuwe metingen van de lichtsnelheid maken al deze speculatieve theorieën dus minder waarschijnlijk.

Zwaargewicht

Eta Carinae, met rondom de ster de Homunculusnevel, die de
ster uitstootte in de 19de eeuw. Opname: ESO.

Eta Carinae is een van de helderste sterren van ons melkwegstelsel. Hij straalt meer dan een miljoen keer meer licht uit dan onze Zon. In de negentiende eeuw onderging eta Carinae een uitbarsting, waarbij de ster naar schatting tien zonsmassa's of meer aan materie de ruimte in slingerde.

Eta Carinae is wellicht ook een van de zwaarste sterren van ons melkwegstelsel. Het is ook een dubbelster: twee sterren die in 5,5 jaar om elkaar draaien. Het is echter een wat complex systeem: de baan is erg excentrisch, dus de beide sterren komen slechts om de 5,5 jaar dicht bij elkaar. Beide componenten beschikken ook over een hevige sterrenwind. Wanneer de sterren elkaar naderen, dan botsen die beide sterrenwinden met elkaar.

Daarenboven zit eta Carinae eigenlijk verscholen in een gaswolk, die bestaat uit het gas dat hij zelf in de negentiende eeuw heeft uitgeworpen. Dit alles bij elkaar zorgt er voor dat het spectrum van de ster erg moeilijk te analyseren is. Toch beweren de sterrenkundigen Amit Kashi (V.S.) en Noam Soker (Israël) dat ze het spectrum van eta Carinae hebben ontcijferd en daaruit de parameters van de dubbelster hebben afgeleid. Uit hun gegevens volgt dat de componenten 170 zonsmassa en 80 zonsmassa zwaar zouden zijn. De excentriciteit van de baan zou 0,9 bedragen en de inclinatie 41 graden. De primaire ster zou een 'geëvolueerde' ster zijn, wat betekent dat hij al heel wat materie heeft verloren. Bij zijn geboorte zou eta Carinae 230 zonsmassa zwaar geweest zijn.

Indien de analyse van deze onderzoekers correct is, is eta Carinae de zwaarste dubbelster die we kennen. De vorige recordhouder is NGC 3603-A1, een ster in de jonge OB associatie NGC 3603. Dit is een echte nauwe dubbelster: twee componenten, met massa's van naar schatting 116 en 89 zonsmassa draaien in slechts 3,77 dagen om elkaar.

Of dit model voor eta Carinae, waarin beide sterren zeer zwaar zijn, correct is, zal moeten blijken uit verdere waarnemingen. Er is immers ook nog een concurrerend model voor deze dubbelster, waarin de componenten een massa hebben van 'slechts' 90 en 30 zonsmassa. 

Het einde van BICEP2

Het jubelende BICEP2 team in maart 2014. Helaas, recent bleek dat
hun conclusies onjuist waren: ze detecteerden geen kosmische
inflatie, wel stof in onze Melkweg. Foto: AP Photo/Elise Amendola.

Het doek is gevallen over BICEP2. Herinner u, in maart van vorig jaar was er ophefmakend nieuws want men had de echo's ontdekt van kosmische inflatie, de periode van snelle expansie nét na de Big Bang. Die sporen waren gevonden door de kijken naar specifieke patronen van polarisatie in de kosmische achtergrondstraling.
Onmiddellijk na de ontdekking kregen de BICEP2 onderzoekers het aan de stok met die van de Planck satelliet. Die laatsten beweerden dat het BICEP2 team onvoldoende rekening gehouden had met de polarisatie, veroorzaakt door stof in onze Melkweg. Er ontstond een controverse, die onlangs werd beslecht door een gezamenlijke analyse van alle gegevens. En de conclusie is duidelijk: het volledige BICEP2 signaal kan verklaard worden door stof en van enige kosmische inflatie is geen enkele spoor meer te bekennen.

Het eindoordeel is om z'n minst gênant voor het BICEP2 team. Vorig jaar kraaiden ze victorie; ze vonden het zelfs niet nodig te wachten tot hun wetenschappelijk artikel was aanvaard voor publicatie om jubelende persmededelingen uit te sturen en met hun verhaal in de kranten en de "boekskes" te komen. Nu moeten ze alles terug inslikken.  Dat enkele gerenommeerde wetenschappers over deze gang van zaken erg ontstemd zijn is dan ook begrijpelijk.

Toch hebben we iets geleerd van het BICEP2-debacle. Indien kosmische inflatie écht heeft plaatsgehad - en volgens theoretici moét dat het geval geweest zijn - dan zijn de sporen ervan veel kleiner dan we dachten. Er zal dus een nieuwe lichting gevoeligere telescopen en detectoren nodig zijn om ze te vinden.

Meer hierover in een van de komende nummers van Heelal.

De langste dag

Een officiële schrikkelseconde. Foto: NASA.

Op 30 juni is het weer zo ver: na 23h59m59s komt niet 1 juli, 0h0m0s maar wel 30 juni, 23h29m60s. Er wordt een extra seconde ingelast, waardoor dit de langste dag wordt sinds twee jaar.

Er zal opnieuw protest zijn: sommige computers verslikken zich in de schrikkelseconde en dreigen op hol te slaan (zo beweert men althans). Sommige klokken moeten opnieuw gesynchroniseerd worden en, wie weet, misschien loopt uw trein vertraging op.

We zitten met de schrikkelseconde opgescheept omdat we met de burgerlijke tijd (de tijd op uw polshorloge zeg maar) eigenlijk van twee walletjes willen eten. Aan de ene kant willen we dat één seconde burgerlijke tijd exact even lang duurt als één “officiële” seconde, dat is een seconde zoals bepaald door een wereldwijd netwerk van onvoorstelbaar nauwkeurige atoomklokken. Dat is de zogenaamde internationale atoomtijd. Maar anderzijds willen we ook dat 86400 seconden exact even lang duren als één zonnedag, dat is één rotatie van de Aarde ten opzichte van de Zon. Dat is dan weer de (“gewone”) universele tijd.

Die beide gaan niet samen. De draaiing van de Aarde is immers wat onregelmatig. Daardoor gaat ze soms ietsje sneller, dan weer ietsje trager. Dat heeft vooral te maken met de beweging van materie in het diepe inwendige, waar kolossale convectiestromen ons onmisbare magneetveld in gang houden. Daardoor duurt een zonnedag soms iets langer, dan weer iets korter en is dus ook de duur van één seconde universele tijd soms iets langer, dan iets korter. De trend op lange termijn is dat de Aarde trager gaat draaien, door getijdenwerking met de Maan.

Onze burgerlijke tijd is gebaseerd op een mix van atoomtijd en universele tijd. De seconde duurt even lang als een atoomseconde, maar de dagen moeten binnen één seconde in de pas lopen met de zonnedagen, dus met universele tijd. Die “gecombineerde” tijd noemt men gecoördineerde universele tijd, UTC.

Wanneer de Aarde toevallig een tijdje wat trager gaat draaien, dreigt de atoomtijd, en dus ook de UTC, vooruit te lopen op de universele tijd. Daarom wordt dan, op 31 december of 30 juni om 23h59m59s een extra seconde atoomtijd aan UTC toegevoegd, waardoor UTC terug in de pas loopt met universele tijd. Gaat de Aarde wat sneller draaien, dan slaat men 23h59m59s een keertje over.

Schrikkelseconden blijven een vervelende aangelegenheid. Daarom heeft men reeds enkele keren voorgesteld om ze af te schaffen. UTC zou dan altijd even snel lopen als atoomtijd, er zou enkel een onveranderlijk verschil zijn van een geheel aantal seconden. Dat zou wel tot gevolg hebben dat UTC en universele tijd op de lange duur meer en meer uit de pas lopen en dat burgerlijke tijd niet meer synchroon loopt met de beweging van de Zon om de Aarde.

Het verschil zou uiteraard klein zijn: er is geen risico dat de Zon na enkele jaren om 7 uur ’s morgens in het zuiden zou staan…: met één schrikkelseconde om de twee jaar, steeds in dezelfde richting (vb bijvoegen) duurt het 72 eeuwen voor er één uur verschil zou zijn. Tegen dan… Vele sterrenkundigen verzetten zich echter tegen het idee, omdat het afbreuk doet aan de definitie van universele tijd, namelijk dat deze tijdmeting in de pas loopt met de zonnedag. Enkele internationale organisaties (IAU, ITU) hebben zich al gebogen over het probleem — het gaat om de tijdrekening over de ganse wereld — maar er is nog niets definitief beslist. Tot zolang zijn er dus nu en dan schrikkelseconden.