4
Hieronder een didactisch model om het verschijnsel van gecombineerde gravitationele onstabiele toestanden te illustreren. Stel je een soort zwembad voor. Op halve hoogte, onder water, plaatsen we een horizontaal, soepel, vrijwel gewichtloos doek. Boven het doek leggen we ballen met massa, die dus druk uitoefenen op het doek. Onder het doek plaatsen we evenveel tafeltennisballen, van gelijke grootte. Deze zijn gevoelig voor de opwaartse kracht van Archimedes en oefenen dus een druk uit op het doek, maar in tegengestelde richting. We kunnen ook zorgen dat alle ballen dezelfde diameter hebben.
Als er aan beide zijden een gelijke, uniforme verdeling van zware ballen en tafeltennisballen is, is de resulterende kracht op het doek overal nul en blijft het doek horizontaal (de kromming is nul). Maar het toeval kan ervoor zorgen dat zware ballen hier en daar samenkomen. Ze zullen dan het doek inkrimpen en tegelijkertijd de tafeltennisballen verdringen. In een doorsnede krijgt de oppervlakte dan de vorm zoals hieronder weergegeven:
Zware ballen komen samen en krullen het doek in.
Ze verdringen de tafeltennisballen, die zich rondom verzamelen.
Intuïtief kunnen we ons voorstellen dat deze twee verschijnselen elkaar niet tegengaan, maar juist versterken. De aanwezigheid van deze ring van ballen die in overvloed zijn, rond de kuil, versterkt de inkeping en dus het "gevangen houden" van deze dichte ballen.
De gravitationele onstabiliteit zou ook kunnen worden geïllustreerd met één populatie, door zware ballen op een voldoende zachte matras te leggen. Als er per toeval een paar ballen hier en daar samenkomen, zullen ze een kuil of depressie vormen waarin hun buren zich ook zullen verdringen. Dit verschijnsel heet accretie.
Als we een doek nemen en alleen tafeltennisballen eronder plaatsen, is dit systeem eveneens onstabiel. Als tafeltennisballen zich op een willekeurige plek verzamelen, zullen ze hun buren aanzetten om zich bij hen aan te sluiten.
Met dit model met twee populaties – zware ballen en tafeltennisballen – hebben we twee gecombineerde effecten die het verschijnsel van gecombineerde gravitationele onstabiele toestanden illustreren.
Dit model heeft ook het voordeel dat het de symmetrie tussen de twee onderdelen laat zien.
Als we het systeem met twee populaties terugnemen, krijgen we dit beeld:
Tafeltennisballen verzamelen zich en buigen het doek op.
Ze verdringen de zware ballen naar de omgeving.
We hebben dus geprobeerd deze idee te testen door uit te gaan van twee verdelingen:
- Koude materie, dichtheid
r
- Ghostmaterie met dichtheid
r *
@ 64 r
, warmer: de gemiddelde thermische bewegingssnelheid in het ghostuniversum V*th is vier keer hoger dan in ons eigen universum, parameters afgeleid uit onderzoek naar de gecombineerde expansie van beide universa, [zie op de site:
Geometrical Physics,
3
, sectie 3 en figuur 5].
De berekeningen zijn uitgevoerd via 2D-numerieke simulaties met elk 5000 massa-punten. De resultaten zijn slechts indicatief. Er zou 3D-berekening moeten worden gedaan, waarvoor een veel groter aantal massa-punten nodig is dan ons systeem kon verwerken. Neem dus deze 2D-resultaten niet letterlijk.
Kwalitatief beheerst de ghostmaterie het spel. Ze leidt snel tot conglomeraten (clumps), omdat haar accretietijd, omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de dichtheid, korter is. Deze conglomeraten verdringen onze eigen materie naar de overgebleven ruimte, waardoor deze een lacunair patroon krijgt. Zie: J.P. Petit, P. Midy en F. Landsheat: Matter ghost matter astrophysics. 5: Results of numerical 2d simulations. VLS. About a possible schema for galaxies' formation. [Zie op de site:
Geometrical Physics A,
8
, 1998.]
Beide overlappend:
Het voordeel is dat deze verdeling dan stabiel is. De conglomeraten van ghostmaterie stabiliseren de lacunaire verdeling van materie, en omgekeerd houdt deze verdeling de conglomeraten gevangen in haar "netten". Dit zou de grote stabiliteit kunnen verklaren (van de orde van de leeftijd van het universum). De "netten" van materie fungeren dan als potentiaalbarrière tegenover elementen van ghostmaterie die afkomstig zijn uit conglomeraten en versneld worden bij botsingen (in de anglo-amerikaanse zin van "encounter", dus binaire interactie tussen twee massa-punten van ghostmaterie).
Opmerking
(februari 2000):
Alle berekeningsresultaten zijn zes jaar oud. Wie mijn boeken heeft gelezen, weet dat deze zeer interessante en veelbelovende simulaties in 1993-1994 zijn uitgevoerd, eerst door mijn collega en vriend Pierre Midy op een oude Cray, daarna door "Fred", een jonge onderzoeker die liever anoniem wilde blijven – wat ik volkomen begrijp. De berekeningen werden toen "op de achtergrond" uitgevoerd op een krachtige computer die de data van een Europese deeltjesversneller beheerde. Later verhuisde Fred naar een ander laboratorium, waar dergelijke berekeningen niet meer mogelijk waren. De numerieke simulatie werd dus gedurende zes lange jaren opgegeven. Maar onlangs is er iets nieuws gebeurd. Ten eerste zijn de machines in zes jaar zoveel vooruitgegaan (snelheid en vooral geheugencapaciteit) dat berekeningen die vroeger alleen mogelijk waren op krachtige onderzoekscomputers nu binnen bereik zijn van gewone particulieren. Twee mannen, precies ingenieurs in de pensioen, maar gepassioneerd door astrofysica en kosmologie, hebben zich daarom gemeld. Door zelf hun machines te programmeren, hebben ze aardige simulaties gemaakt, waarbij een "2D-digitale sterrenstelsel" van 3000 massa-punten werd verstoord door een "passerende metgezel" van 300 massa-punten. Kortom: het klassieke schema dat leidt tot de spiraalvorm van het "Hondsdrijvers"-sterrenstelsel, ook bekend als M51. Als je deze beelden ziet, denk je meteen: "Dit komt overeen met wat we tien jaar geleden in onderzoeksomgevingen konden doen met krachtige rekenkrachten." Natuurlijk duurt de spiraalstructuur niet voort. Die verdwijnt wanneer de storende metgezel zich verwijdert (een aspect dat al lang bekend is). Onze twee ingenieurs, aangemoedigd door deze hoopvolle resultaten, hebben zes bekende astrofysici benaderd om "richtlijnen" te vragen, maar niemand had de beleefdheid om te antwoorden. Ik was dus de zevende astrofysicus die ze contacteerden. U kunt zich voorstellen dat ik juist blij was met dit extra hulpje en deze nieuwe medewerkers onmiddellijk op nieuwe simulaties gezet. Blijkbaar lukt het hen goed, en als alles goed gaat hebben we binnen de komende maanden "vers" materiaal. Een spannend wachten, want het doel is niets minder dan een simulatie van de vorming van een sterrenstelsel. De zaak is volgen.
Vorige pagina
Volgende pagina
Terug naar inhoudsopgave van dit dossier "Cosmologie Geminale"
Terug naar inhoudsopgave Wetenschap