Categorieën
Astronomie

10 cruciale dingen die voortvloeien uit Einsteins relativiteitstheorieën

Meer dan honderd jaar geleden, op 29 mei 1919, observeerden astronomen een totale zonsverduistering in een ambitieuze poging om de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein te testen door deze in actie te zien. In wezen dacht Einstein dat ruimte en tijd met elkaar verweven waren in een oneindige ‘stof’, als een uitgestrekte deken. Een massief object zoals de zon buigt de ruimtetijddeken met zijn zwaartekracht, zodat licht niet langer in een rechte lijn reist als het langs de zon gaat.

Dit betekent dat de schijnbare posities van achtergrondsterren die dicht bij de zon aan de hemel worden gezien – ook tijdens een zonsverduistering – enigszins verschoven zouden moeten lijken in de afwezigheid van de zon, omdat de zwaartekracht van de zon het licht buigt. Maar tot het eclipsexperiment was niemand in staat om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen, omdat niemand anders overdag sterren bij de zon kon zien.

De wereld vierde de resultaten van dit verduisteringsexperiment – een overwinning voor Einstein en het aanbreken van een nieuw tijdperk van ons begrip van het universum.

De algemene relativiteitstheorie heeft veel belangrijke gevolgen voor wat we in de kosmos zien en hoe we tegenwoordig in de verre ruimte ontdekkingen doen. Hetzelfde geldt voor Einsteins iets oudere theorie, de speciale relativiteitstheorie, met de alom gevierde vergelijking E = mc 2 . Hier zijn 10 dingen die het resultaat zijn van Einsteins relativiteitstheorieën:

Deze afbeelding, gemaakt op basis van meer dan zes jaar observaties door NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope, is de eerste die laat zien hoe de hele hemel verschijnt bij energieën tussen 50 miljard (GeV) en 2 biljoen elektronvolt (TeV).
Ter vergelijking: de energie van zichtbaar licht valt tussen ongeveer 2 en 3 elektronvolt.
Credit: NASA / DOE / Fermi LAT-samenwerking

1. Universele snelheidslimiet

Einsteins beroemde vergelijking E = mc 2 bevat ‘c’, de lichtsnelheid in een vacuüm. Hoewel licht in vele smaken komt – van de regenboog van kleuren die mensen kunnen zien tot de radiogolven die gegevens van ruimtevaartuigen verzenden – zei Einstein dat al het licht de snelheidslimiet van 186.000 mijl (300.000 kilometer) per seconde moet volgen. Dus zelfs als twee lichtdeeltjes heel verschillende hoeveelheden energie bevatten, zullen ze met dezelfde snelheid reizen.

Dit is experimenteel in de ruimte aangetoond. In 2009 detecteerde NASA ’s Fermi Gamma-ray Space Telescope twee fotonen op vrijwel hetzelfde moment , waarbij de ene een miljoen keer meer energie vervoerde dan de andere. Ze kwamen allebei uit een hoogenergetisch gebied nabij de botsing van twee neutronensterren, ongeveer 7 miljard jaar geleden. Een neutronenster is het zeer dichte overblijfsel van een geëxplodeerde ster. Terwijl andere theorieën stelden dat ruimte-tijd zelf een ” schuimige ” textuur heeft die meer energetische deeltjes zou kunnen vertragen, vonden Fermi’s waarnemingen in het voordeel van Einstein.

Een formatie van sterrenstelsels lijkt een lachend gezicht te vormen.
Twee geelgekleurde klodders hangen boven op een overweldigende lichtboog.
Het onderste, boogvormige melkwegstelsel heeft de karakteristieke vorm van een melkwegstelsel met zwaartekrachtlens: het licht is op weg naar ons langs een massief object gepasseerd, waardoor het vervormd en uitgerekt is.
Krediet: ESA / Hubble & NASA;
Erkenning: Judy Schmidt (geckzilla)

2. Sterke lensing

Net zoals de zon het licht van verre sterren die er dichtbij passeren buigt, vervormt een massief object zoals een melkwegstelsel het licht van een ander object dat veel verder weg is. In sommige gevallen kan dit fenomeen ons zelfs helpen nieuwe sterrenstelsels te onthullen. We zeggen dat het dichterbij gelegen object zich gedraagt ​​als een “lens”, en zich gedraagt ​​als een telescoop die het verder verwijderde object onthult. Hele clusters van sterrenstelsels kunnen worden gelensed en fungeren ook als lenzen.

Wanneer het objectief objectief dicht genoeg bij het verder verwijderde object in de lucht lijkt, zien we in feite meerdere afbeeldingen van dat verre object. In 1979 observeerden wetenschappers voor het eerst een dubbelbeeld van een quasar, een zeer helder object in het centrum van een melkwegstelsel met een superzwaar zwart gat dat zich voedt met een schijf van instromend gas. Deze schijnbare kopieën van het verre object veranderen in helderheid als het oorspronkelijke object verandert, maar niet allemaal tegelijk, vanwege de manier waarop de ruimte zelf wordt gebogen door de zwaartekracht van het object op de voorgrond.

Soms, wanneer een hemellichaam in de verte precies is uitgelijnd met een ander object, zien we licht gebogen in een “Einstein-ring” of boog. In deze afbeelding van NASA’s Hubble-ruimtetelescoopstelt de vegende lichtboog een ver sterrenstelsel voor dat is gelensed en een “smiley” vormt met andere sterrenstelsels.

Kaart van donkere materie gemaakt van gravitatielensmetingen van 26 miljoen sterrenstelsels in de Dark Energy Survey.
Credit: Chihway Chang / Kavli Institute for Cosmological Physics aan de University of Chicago / DES Collaboration

3. Zwakke lensing

Wanneer een massief object fungeert als een lens voor een verder object, maar de objecten zijn niet speciaal uitgelijnd ten opzichte van ons zicht, wordt slechts één afbeelding van het verre object geprojecteerd. Dit gebeurt veel vaker. Door de zwaartekracht van het dichtstbijzijnde object lijkt het achtergrondobject groter en uitgerekt dan het in werkelijkheid is. Dit wordt ‘zwakke lenswerking’ genoemd.

Zwakke lenswerking is erg belangrijk voor het bestuderen van enkele van de grootste mysteries van het universum: donkere materie en donkere energie. Donkere materie is een onzichtbaar materiaal dat alleen door zwaartekracht in wisselwerking staat met gewone materie en hele sterrenstelsels en groepen sterrenstelsels bij elkaar houdt als een kosmische lijm. Donkere energie gedraagt ​​zich als het tegenovergestelde van zwaartekracht, waardoor objecten van elkaar afwijken. Drie aankomende observatoria – NASA’s Wide Field Infrared Survey Telescope , WFIRST , missie, de door Europa geleide Euclid-ruimtemissie met deelname van NASA, en de op de grond gebaseerde Large Synoptic Survey Telescope – zullen belangrijke spelers zijn in deze inspanning. Door vervormingen van melkwegstelsels met een zwakke lens in het universum te onderzoeken, kunnen wetenschappers de effecten van deze aanhoudend raadselachtige verschijnselen karakteriseren.

Door zwaartekrachtlenzen in het algemeen kan NASA’s James Webb Space-telescoop ook zoeken naar enkele van de allereerste sterren en melkwegstelsels in het universum.

Als een exoplaneet voor een verder verwijderde ster passeert, zorgt de zwaartekracht ervoor dat de baan van het sterlicht buigt, en in sommige gevallen resulteert dit in een korte opheldering van de achtergrondster zoals gezien door een telescoop.
De artistieke animatie illustreert dit effect.
Dit fenomeen van gravitationele microlensing stelt wetenschappers in staat te zoeken naar exoplaneten die te ver weg en te donker zijn om op een andere manier te detecteren.
Krediet: NASA Ames / JPL-Caltech / T.
Pyle

4. Microlensing

Tot nu toe hebben we het gehad over gigantische objecten die zich gedragen als vergrotende lenzen voor andere gigantische objecten. Maar sterren kunnen ook andere sterren ‘lenzen’, inclusief sterren die planeten om zich heen hebben. Wanneer licht van een achtergrondster wordt “gelensed” door een dichterbij gelegen ster op de voorgrond, neemt de helderheid van de achtergrondster toe . Als die voorgrondster ook een planeet heeft die er omheen draait, kunnen telescopen een extra bobbel in het licht van de achtergrondster detecteren, veroorzaakt door de ronddraaiende planeet. Deze techniek voor het vinden van exoplaneten, planeten rond andere sterren dan de onze, wordt ‘microlensing’ genoemd.

NASA’s Spitzer Space Telescope , in samenwerking met observatoria op de grond, vond een “ijsbol” -planeet door middel van microlensing. Terwijl microlensing tot nu toe minder dan 100 bevestigde planeten heeft gevonden, zou WFIRST met deze techniek meer dan 1.000 nieuwe exoplaneten kunnen vinden.

Dit is de eerste foto van een zwart gat.
Met behulp van de Event Horizon Telescope hebben wetenschappers een afbeelding gemaakt van het zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87.
Krediet: Event Horizon Telescope Collaboration

5. Zwarte gaten

Alleen al het bestaan ​​van zwarte gaten, extreem dichte objecten waaruit geen licht kan ontsnappen, is een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie. Ze vertegenwoordigen de meest extreme verstoringen van het weefsel van de ruimte-tijd, en zijn vooral beroemd vanwege de manier waarop hun immense zwaartekracht licht beïnvloedt op rare manieren die alleen Einsteins theorie kon verklaren.

In 2019 onthulde de internationale samenwerking Event Horizon Telescope, ondersteund door de National Science Foundation en andere partners, het eerste beeld van de waarnemingshorizon van een zwart gat , de grens die het ‘point of no return’ van een zwart gat definieert voor materiaal in de buurt. NASA’s Chandra X-ray Observatory, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), Neil Gehrels Swift Observatory en Fermi Gamma-ray Space Telescope keken allemaal naar hetzelfde zwarte gat in een gecoördineerde

Het sterrenstelsel M87, hier afgebeeld door NASA’s Spitzer Space Telescope, herbergt een superzwaar zwart gat dat twee stralen materiaal met bijna de snelheid van het licht de ruimte in spuit.
De inzet toont een close-up van de schokgolven die door de twee jets worden veroorzaakt.
Krediet: NASA / JPL-Caltech / IPAC

6. Relativistische Jets

Deze afbeelding van Spitzer toont het sterrenstelsel Messier 87 (M87) in infrarood licht, met een superzwaar zwart gat in het midden. Rondom het zwarte gat bevindt zich een schijf van extreem heet gas, evenals twee stralen materiaal die in tegengestelde richting naar buiten schieten. Een van de jets, zichtbaar aan de rechterkant van de afbeelding, wijst bijna precies naar de aarde. De verbeterde helderheid is te danken aan de emissie van licht van deeltjes die met bijna de lichtsnelheid naar de waarnemer reizen, een effect dat ‘relativistisch stralen’ wordt genoemd. Daarentegen is de andere jet onzichtbaar bij alle golflengten omdat deze zich met de snelheid van het licht van de waarnemer verwijdert. De details van hoe dergelijke jets werken, zijn nog steeds mysterieus en wetenschappers zullen zwarte gaten blijven bestuderen voor meer aanwijzingen.

Deze artist’s impression geeft de accretieschijf weer die een zwart gat omgeeft, waarin het binnenste deel van de schijf voorafgaat.
“Precessie” betekent dat de baan van materiaal rond het zwarte gat van oriëntatie verandert rond het centrale object.
Krediet: ESA / ATG medialab

Een zwaartekrachtvortex

Nu we het toch over zwarte gaten hebben, hun zwaartekracht is zo intens dat ze infallerend materiaal om hen heen laten “wiebelen”. Als een lepel die honing roert, waar honing de ruimte rond een zwart gat is, heeft de vervorming van de ruimte door het zwarte gat een wiebelend effect op materiaal dat rond het zwarte gat cirkelt. Dit was tot voor kort alleen theoretisch. Maar in 2016 kondigde een internationaal team van wetenschappers die gebruik maakten van de XMM-Newton van het European Space Agency en NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NUSTAR) aan dat ze voor het eerst de handtekening van wiebelende materie hadden waargenomen. Wetenschappers zullen deze vreemde effecten van zwarte gaten blijven bestuderen om Einsteins ideeën uit de eerste hand verder te onderzoeken.

Overigens is dit wiebelen van materiaal rond een zwart gat vergelijkbaar met hoe Einstein de vreemde baan van Mercurius verklaarde. Als planeet die het dichtst bij de zon staat, voelt Mercurius de grootste aantrekkingskracht van de zon, waardoor de oriëntatie van zijn baan langzaam rond de zon draait, waardoor een wiebeling ontstaat.

Geavanceerde
LIGO zag
zwaartekrachtgolven van twee zwarte gaten die meer dan een miljard lichtjaar van de aarde samenvloeiden.
Deze computersimulatie laat (in slow motion) zien hoe dit er van dichtbij uit zou zien.
Als deze film in realtime zou worden afgespeeld, zou hij ongeveer een derde van een seconde meegaan.
Krediet: SXS Lensing

Zie hieronder het filmpje

filmpje

8. Zwaartekrachtgolven

Rimpelingen door de ruimte-tijd, zwaartekrachtgolven genoemd, werden ongeveer 100 jaar geleden door Einstein verondersteld, maar pas voor kort waargenomen. In 2016 kondigde een internationale samenwerking van astronomen die samenwerkten met de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -detectoren een baanbrekende ontdekking aan: dit enorme experiment detecteerde het subtiele signaal van zwaartekrachtgolven die al 1,3 miljard jaar onderweg waren nadat twee zwarte gaten waren opgegaan in een cataclysmische gebeurtenis. Dit opende een gloednieuwe deur in een wetenschapsgebied genaamd multi-messenger astronomie, waarin zowel zwaartekrachtgolven als licht kunnen worden bestudeerd.

NASA-telescopen werkten bijvoorbeeld samen om het licht te meten van twee neutronensterren die samensmelten nadat LIGO zwaartekrachtgolfsignalen van de gebeurtenis had gedetecteerd, zoals aangekondigd in 2017. Aangezien zwaartekrachtgolven van deze gebeurtenis slechts 1,7 seconden vóór gammastraling van de fusie werden gedetecteerd, na beide 140 miljoen lichtjaar aflegde, concludeerden wetenschappers dat Einstein gelijk had over iets anders: zwaartekrachtgolven en lichtgolven reizen met dezelfde snelheid.

Zoals afgebeeld in deze illustratie, dook Cassini op 15 september 2017 in de atmosfeer van Saturnus. Credit: NASA / JPL-Caltech

9. De zon vertraagt ​​radiosignalen

Planetaire verkenningsruimtevaartuigen hebben ook aangetoond dat Einstein gelijk heeft over de algemene relativiteitstheorie. Omdat ruimtevaartuigen met de aarde communiceren met behulp van licht, in de vorm van radiogolven, bieden ze geweldige mogelijkheden om te zien of de zwaartekracht van een enorm object zoals de zon het pad van het licht verandert.

In 1970 kondigde NASA’s Jet Propulsion Laboratory aan dat Mariner VI en VII, die in 1969 flybys of Mars voltooiden , experimenten hadden uitgevoerd met behulp van radiosignalen – en was het ook eens met Einstein. Met behulp van NASA’s Deep Space Network (DSN) hebben de twee Mariners hiervoor honderden radiometingen gedaan. Onderzoekers maten de tijd die radiosignalen nodig hadden om van de DSN-schotel in Goldstone, Californië, naar het ruimtevaartuig en terug te reizen. Zoals Einstein zou hebben voorspeld, was er een vertraging in de totale retourtijd vanwege de zwaartekracht van de zon. Voor Mariner VI was de maximale vertraging 204 microseconden, wat, hoewel veel minder dan een enkele seconde, bijna precies overeenkwam met wat Einsteins theorie zou verwachten.

In 1979 voerden de Viking-landers een nog nauwkeuriger experiment in deze richting uit. In 2003 gebruikte een groep wetenschappers NASA’s Cassini Spacecraft om dit soort radiowetenschappelijke experimenten met 50 keer grotere precisie te herhalen dan Viking. Het is duidelijk dat de theorie van Einstein stand heeft gehouden!

Concept van het ruimtevaartuig Gravity Probe B.
Een collage van afbeeldingen werd bewerkt om het voltooide ruimtevoertuig te vormen.
Krediet: Katherine Stephenson, Stanford University en Lockheed Martin Corporation

10. Bewijs van een baan om de aarde

In 2004 lanceerde NASA een ruimtevaartuig genaamd Gravity Probe B, speciaal ontworpen om de theorie van Einstein in de baan van de aarde te zien spelen. De theorie gaat dat de aarde, een roterend lichaam, het weefsel van de ruimte-tijd eromheen zou moeten trekken terwijl het ronddraait, naast het vervormen van licht met zijn zwaartekracht.

Het ruimtevaartuig had vier gyroscopen en wees naar de ster IM Pegasi terwijl het in een baan om de aarde draaide boven de polen. Als Einstein in dit experiment ongelijk had gehad, zouden deze gyroscopen altijd in dezelfde richting hebben gewezen. Maar in 2011 kondigden wetenschappers aan dat ze kleine veranderingen in de richting van de gyroscopen hadden waargenomen als gevolg van de aarde, vanwege de zwaartekracht, die de ruimte-tijd eromheen sleept.

Global Positioning System of GPS is een in de ruimte gebaseerd radionavigatiesysteem in de Verenigde Staten dat helpt om een driedimensionale positie te lokaliseren met een nauwkeurigheid van ongeveer een meter (bijvoorbeeld breedte-, lengtegraad en hoogte) en om overal op aarde een nauwkeurige tijd van nano-seconde te bieden.
Krediet: NASA

Bonus: uw GPS!

Over vertragingen gesproken, de GPS (Global Positioning System) op uw telefoon of in uw auto vertrouwt voor nauwkeurigheid op de theorieën van Einstein . Om te weten waar je bent, heb je een ontvanger nodig – zoals je telefoon, een grondstation en een netwerk van satellieten die in een baan rond de aarde draaien om signalen te verzenden en te ontvangen. Maar volgens de algemene relativiteitstheorie ervaren satellieten, vanwege de zwaartekrachtkrommende ruimtetijd van de aarde, dat de tijd iets sneller beweegt dan op aarde. Tegelijkertijd zou de speciale relativiteitstheorie zeggen dat de tijd langzamer beweegt voor objecten die veel sneller bewegen dan andere.

Toen wetenschappers het netto-effect van deze krachten berekenden, ontdekten ze dat de klokken van de satellieten altijd een klein beetje voorlopen op de klokken op aarde. Hoewel het verschil per dag een kwestie van miljoensten van een seconde is, telt die verandering echt op. Als gps geen relativiteitstheorie had ingebouwd in zijn technologie, zou je telefoon je kilometers ver weg leiden!


scitechdaily

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.