Honderd jaar algemene relativiteitstheorie

Honderd jaar algemene relativiteitstheorie
Chris Van Den Broeck
Nikhef open dag, 04/10/2015
LISA
Proloog: speciale relativiteitstheorie
§ 1887: Een experiment van Michelson en
Morley toont aan dat snelheid van een
lichtstraal altijd hetzelfde is
●
Niet consistent met het idee van een “ether”
§ 1905: Een klerk bij een Zwitsers
patentenbureau formuleert nieuwe
bewegingsleer: speciale relativiteitstheorie
●
●
De snelheid van het licht is hetzelfde voor
alle waarnemers
Niets kan sneller bewegen dan het licht
Gevolgen:
LISA
●
Ether overbodig
●
Lengte en tijd afhankelijk van de waarnemer
●
Ruimte en tijd onlosmakelijk verbonden
Zwaartekracht
§ Newton 1687: Gravitatie is een kracht
§ In de theorie van Newton:
●
●
Verandering in afstand geeft
onmiddellijke verandering in kracht;
er gaat geen tijd overheen
In strijd met speciale
relativiteitstheorie:
–
Niets, ook geen informatie, kan
sneller bewegen dan het licht!
§ 1907: Einstein gaat op zoek naar een
uitbreiding van speciale relativiteit die ook
gravitatie kan beschrijven
LISA
Algemene relativiteitstheorie
§ Newton 1687: Gravitatie is een kracht
§ Einstein 1915:
Algemene relativiteitstheorie
●
●
LISA
Materie en energie veroorzaken
kromming van de ruimtetijd
Deze kromming beïnvloedt op haar beurt
de beweging van materie en energie
doorheen de ruimtetijd
Algemene relativiteitstheorie
Snelle successen:
§ Precessie van de baan van Mercurius
●
●
●
Reeds ontdekt in 1859 (Le Verrier)
Eerst toegeschreven aan invloed van
onbekende planeet nog dichter bij de Zon
Perfect verklaard door algemene
relativiteitstheorie
§ Afbuiging van sterrenlicht door de Zon
●
●
LISA
Expeditie van Eddington (1919):
waarneming van sterren tijdens
zonsverduistering
Voorspelling bevestigd, Einstein wereldberoemd!
Algemene relativiteitstheorie
Snelle successen:
§ Precessie van de baan van Mercurius
●
●
●
Reeds ontdekt in 1859 (Le Verrier)
Eerst toegeschreven aan invloed van
onbekende planeet nog dichter bij de Zon
Perfect verklaard door algemene
relativiteitstheorie
§ Afbuiging van sterrenlicht door de Zon
●
●
LISA
Expeditie van Eddington (1919):
waarneming van sterren tijdens
zonsverduistering
Voorspelling bevestigd, Einstein wereldberoemd!
Zwarte gaten
§ Karl Schwarzschild:
●
●
Zon
LISA
Witte dwerg
Berekent kromming van de ruimtetijd in
de buurt van een massapunt
(1915, gepubliceerd 1916)
Onafhankelijke berekening door
Johannes Droste (1916)
Neutronenster
Zwart gat
Zwarte gaten
§ Waarnemingshorizon van zwart gat:
grens van een gebied van waaruit
niets kan ontsnappen, ook geen licht!
§ Werd jarenlang beschouwd als een
wiskundige curiositeit
●
●
LISA
Nu wordt algemeen aangenomen dat
hele zware sterren een zwart gat
vormen op einde van hun levensduur
(supernova's)
Bijna alle sterrenstelsels lijken een
“superzwaar” zwart gat in hun centrum
te hebben
–
Ook onze Melkweg!
De expansie van het heelal
§ Georges Lemaître (1927):
●
●
LISA
Algemene relativiteitstheorie voorspelt
dat het heelal moet uitzetten
Er moet ooit een moment van oneindige
dichtheid zijn geweest: de oerknal
–
Ontstaan van ruimte en tijd
–
Gebeurde 13,8 miljard jaar geleden
De expansie van het heelal
§ Georges Lemaître (1927):
●
●
Algemene relativiteitstheorie voorspelt
dat het heelal moet uitzetten
Er moet ooit een moment van oneindige
dichtheid zijn geweest: de oerknal
–
Ontstaan van ruimte en tijd
–
Gebeurde 13,8 miljard jaar geleden
§ Einstein vindt het maar niets!
●
●
LISA
“Uw berekeningen zijn correct, maar uw
natuurkunde is afschuwelijk”
Nieuwe toevoeging aan zijn vergelijkingen:
de kosmologische constante
Einsteins “grootste blunder”
§ Edwin Hubble (1929):
●
●
Alle andere sterrenstelsels vliegen weg
van onze Melkweg
In overeenstemming met de
oorspronkelijke versie van de theorie:
kosmologische constante overbodig
§ Einstein moet zich bedenken:
●
LISA
“De kosmologische constante was de
grootste blunder van mijn leven”
De “grootste blunder” krijgt een staartje
§ 1998: twee afzonderlijke teams van
astronomen kijken naar verre
supernova's
●
●
●
Supernova's minder helder dan
verwacht
Komt omdat ze verder weg staan dan
verwacht
De expansie van het heelal is aan het
versnellen
§ Mogelijke verklaringen:
●
●
LISA
Donkere energie:
Heelal gevuld met substantie die
negatieve druk heeft
Of... een kosmologische constante!
De kosmische achtergrondstraling
§ Kort na de oerknal was het heelal erg heet
§ Koelde af naarmate het zich uitzette
§ Ongeveer 300000 jaar na oerknal:
●
●
Vorming van de eerste atomen
Flits van straling die nog steeds het heelal
vult: de kosmische achtergrondstraling
§ Ontdekt door Penzias en Wilson (1965)
●
●
LISA
Toevallige vondst:
Ruis in een gloednieuwe microgolf-antenne
Ondertussen onderzocht met ruimtesondes
Gravitatiegolven
§ Algemene relativiteitstheorie voorspelt
trillingen in de ruimtetijd die zich met de
lichtsnelheid voortplanten: gravitatiegolven
§ 1974: Hulse en Taylor ontdekken twee
neutronensterren die om elkaar heen
draaien
●
●
LISA
Waarnemingen laten zien dat ze
voortdurend baanenergie verliezen
Komt omdat ze gravitatiegolven uitzenden:
continu verlies van energie
Even terugkomen op zwarte gaten...
§ Zwarte gaten
●
●
Gebied van de ruimtetijd waaruit niets
kan ontsnappen, ook licht niet
Vele onrechtstreekse aanwijzingen
voor hun bestaan
§ Is er een manier om zwarte gaten
rechtstreeks waar te nemen?
LISA
Opnieuw gravitatiegolven
§ Soms worden er twee zwarte gaten
gevormd
§ Naderen elkaar in een spiraalbeweging
§ Versmelten tot een enkel zwart gat
§ Sterke bron van gravitatiegolven
LISA
Rechtstreekse detectie van gravitatiegolven
§ Laser-interferometers:
●
●
●
Lengteveranderingen in de armen
100000 keer kleiner dan een
proton!
LISA
Gravitatiegolven zorgen
voor lengteverschillen
tussen de twee armen
Zichtbaar in het
interferentiepatroon aan
de output
Dubbele zwarte gaten:
karakteristieke signalen
Een wereldwijd netwerk van detectoren
LISA
Twee detectoren staan reeds aan!
§ 18 september 2015, 17:00u Nederlandse tijd:
Advanced LIGO begonnen met observeren
●
LISA
... en nu is het afwachten geblazen
Gravitatie en quantummechanica
§ Algemene relativiteitstheorie beschrijft gravitatie op relatief grote
lengteschalen
§ Op kleine schaal: quantummechanica wordt belangrijk
●
Planck-lengte, ongeveer 10-33 cm
§ Er wordt verwacht dat de
ruimtetijd op die schaal
“quantumfluctuaties”
ondergaat
§ Wiskundig en fysisch zijn de twee theorieën erg verschillend
§ Vele pogingen om ze samen te brengen in een enkele theorie
●
LISA
Snaartheorie, dynamische triangulaties, lus-quantumgravitatie, ...
Dankuwel!
Populariserende literatuur
§ Kip Thorne,
Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy
§ Marcia Barthusiak,
Einstein's Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of
Space-Time
LISA
Kosmische gravitatiegolven?
§ BICEP2:
“Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization”
●
LISA
Telescoop in Antarctica die de polarisatie van de
kosmische achtergrondstraling onderzoekt
Kosmische gravitatiegolven?
§ In het vroege heelal onderging de ruimtetijd quantumfluctuaties
§ Later manifesteren deze zich als trillingen in de ruimtetijd:
gravitatiegolven
§ Deze gravitatiegolven kunnen een “afdruk” nalaten op de
kosmische achtergrondstraling (polarisatie)
§ Maart 2014: BICEP2 kondigt ontdekking aan!
LISA
Het was maar stof
§ Met de Planck-satelliet is het mogelijk om stofwolken in ons
Melkwegstelsel goed in kaart te brengen
§ Het BICEP2-resultaat was omwille van stof...
LISA
De toekomst
Einstein Telescope (2025)
§ Ondergronds
§ Super-gekoeld
§ 6 interferometers
§ 10 km armlengte
§ Mogelijke locatie in Nederland!
eLISA (2034)
§ 3 ruimtetuigen, 1 miljoen km
afstand, wisselen laserstralen uit
§ Botsingen van supermassieve
zwarte gaten (miljoenen
zonnemassa's)
§ Pathfinder missie wordt
LISA
gelanceerd in november 2015