Braneworld daagt Einsteins algemene relativiteit uit. Klik om te vergroten
Wetenschappers zijn al jaren geïntrigeerd over de mogelijkheid dat er meer dimensies zijn dan de drie die wij mensen kunnen begrijpen. Nu denken onderzoekers van Duke- en Rutgers-universiteiten dat er een manier is om te testen op vijfdimensionale theorie (4 ruimtelijke dimensies plus tijd) van zwaartekracht die concurreert met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze extra dimensie zou effecten moeten hebben in de kosmos die detecteerbaar zijn door satellieten die de komende jaren moeten worden gelanceerd.
Wetenschappers van de Duke- en Rutgers-universiteiten hebben een wiskundig raamwerk ontwikkeld dat volgens hen astronomen in staat zal stellen een nieuwe vijfdimensionale zwaartekrachttheorie te testen die concurreert met Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Charles R. Keeton van Rutgers en Arlie O. Petters of Duke baseren hun werk op een recente theorie genaamd het type II Randall-Sundrum braneworld zwaartekrachtmodel. De theorie stelt dat het zichtbare universum een membraan is (vandaar 'braneworld') dat is ingebed in een groter universum, net als een streng filmachtig zeewier dat in de oceaan drijft. Het 'braneworld-universum' heeft vijf dimensies - vier ruimtelijke dimensies plus tijd - vergeleken met de vier dimensies - drie ruimtelijke plus tijd - die zijn uiteengezet in de algemene relativiteitstheorie.
Het raamwerk dat Keeton en Petters ontwikkelden, voorspelt bepaalde kosmologische effecten die, als ze worden waargenomen, wetenschappers zouden moeten helpen de theorie van de zwerfwereld te valideren. De waarnemingen zouden volgens hen mogelijk moeten zijn met satellieten die de komende jaren moeten worden gelanceerd.
Als de braneworld-theorie waar blijkt te zijn, 'zou dit de appelwagen van streek maken', zei Petters. "Het zou bevestigen dat er een vierde dimensie is in de ruimte, die een filosofische verandering zou veroorzaken in ons begrip van de natuurlijke wereld."
De bevindingen van de wetenschappers verschenen op 24 mei 2006 in de online editie van het tijdschrift Physical Review D. Keeton is een professor in astronomie en natuurkunde bij Rutgers, en Petters is een professor in wiskunde en natuurkunde in Duke. Hun onderzoek wordt gefinancierd door de National Science Foundation.
Het Randall-Sundrum braneworld-model - genoemd naar zijn grondleggers, natuurkundigen Lisa Randall van de Harvard University en Raman Sundrum van de Johns Hopkins University - biedt een wiskundige beschrijving van hoe de zwaartekracht het universum vormt dat verschilt van de beschrijving die wordt gegeven door de algemene relativiteitstheorie.
Keeton en Petters concentreerden zich op een bepaald zwaartekrachtsconsequentie van de braneworld-theorie die het onderscheidt van de theorie van Einstein.
De braneworld-theorie voorspelt dat relatief kleine 'zwarte gaten' die in het vroege universum zijn ontstaan, tot op de dag van vandaag bestaan. De zwarte gaten, met een massa die lijkt op een kleine asteroïde, zouden deel uitmaken van de 'donkere materie' in het universum. Zoals de naam al doet vermoeden, zendt of reflecteert donkere materie geen licht, maar oefent het wel een zwaartekracht uit.
De algemene relativiteitstheorie daarentegen voorspelt dat dergelijke oer-zwarte gaten niet meer bestaan, omdat ze inmiddels zouden zijn verdampt.
"Toen we schatten hoe ver de zwarte gaten in de wereld van braneworld zouden kunnen zijn, waren we verrast toen we ontdekten dat de dichtstbijzijnde gaten ver in Pluto's baan zouden liggen," zei Keeton.
Petters voegde toe: "Als zwarte gaten in de wereld van braneworld zelfs maar 1 procent van de donkere materie in ons deel van de melkweg vormen - een voorzichtige veronderstelling - zouden er duizenden braneworld zwarte gaten in ons zonnestelsel moeten zijn."
Maar bestaan zwarte gaten van braneworld echt - en staan ze daarom als bewijs voor de 5-D braneworld-theorie?
De wetenschappers toonden aan dat het mogelijk zou zijn om deze vraag te beantwoorden door de effecten te observeren die zwarte gaten in de wereld van de aarde zouden uitoefenen op elektromagnetische straling die vanuit andere sterrenstelsels naar de aarde reist. Elke dergelijke straling die in de buurt van een zwart gat komt, wordt beïnvloed door de enorme zwaartekracht van het object - een effect dat 'zwaartekrachtlensing' wordt genoemd.
"Een goede plaats om te zoeken naar gravitatielensing door zwarte gaten in de wereld van braneworld is in uitbarstingen van gammastraling die naar de aarde komen", zei Keeton. Deze gammaflitsen worden vermoedelijk veroorzaakt door enorme explosies in het hele universum. Dergelijke uitbarstingen vanuit de ruimte werden in de jaren zestig per ongeluk ontdekt door de Amerikaanse luchtmacht.
Keeton en Petters berekenden dat zwarte gaten in de wereld van zemelen de gammastraling zouden belemmeren op dezelfde manier als een rots in een vijver passerende rimpels blokkeert. De rots produceert een 'interferentiepatroon' in zijn kielzog waarin sommige rimpelpieken hoger zijn, sommige dalen dieper zijn en sommige pieken en dalen elkaar opheffen. Het interferentiepatroon draagt de handtekening van de kenmerken van zowel de rots als het water.
Evenzo zou een zwart gat in de wereld van de wereld een interferentiepatroon veroorzaken in een voorbijgaande uitbarsting van gammastraling terwijl ze naar de aarde reizen, zeiden Keeton en Petters. De wetenschappers voorspelden de resulterende heldere en donkere "franjes" in het interferentiepatroon, die volgens hen een middel zijn om de kenmerken van zwarte gaten in de wereld van de wereld af te leiden en op hun beurt van ruimte en tijd.
"We ontdekten dat de handtekening van een vierde dimensie van ruimte in de interferentiepatronen voorkomt", zei Petters. "Deze extra ruimtelijke dimensie zorgt voor een samentrekking tussen de randen in vergelijking met wat je zou krijgen in Algemene Relativiteit."
Petters en Keeton zeiden dat het mogelijk zou moeten zijn om de voorspelde gammastraalrandpatronen te meten met de Gamma-ray Large Area Space Telescope, die naar verwachting in augustus 2007 op een ruimtevaartuig zal worden gelanceerd. De telescoop is een gezamenlijke inspanning van NASA, de US Department of Energy en instellingen in Frankrijk, Duitsland, Japan, Italië en Zweden.
De wetenschappers zeiden dat hun voorspelling van toepassing zou zijn op alle zwarte gaten in de wereld van de wereld, of het nu in ons zonnestelsel is of daarbuiten.
'Als de braneworld-theorie klopt', zeiden ze, 'zouden er door het hele universum nog veel meer braneworld zwarte gaten moeten zijn, elk met de handtekening van een vierde dimensie van de ruimte.'
Oorspronkelijke bron: Duke University
