Jef Ongena lecture on Georgens Lemaître

Jef Ongena's lecture on Georges Lemaître sheds a clear light on the origins of the Big Bang theory. He explains how the Belgian priest and astronomer was the first to realize that the universe is not static, but constantly expanding from a primeval atom. In doing so, Ongena corrects the historical narrative in which Edwin Hubble often receives all the credit for this discovery. During his presentation, he clarifies how Lemaître kept science and faith strictly separate to protect the integrity of both fields. The speaker further connects these historical insights with modern astronomical observations of cosmic background radiation. The result is a compelling account of intellectual courage and the Belgian contribution to our fundamental knowledge of the cosmos. Thanks to Ongena's accessible style, this complex subject becomes understandable for a broad audience. This ensures that Lemaître's legacy remains alive in contemporary scientific discussions about the beginning of everything.

Selfie with Jef Ongena

Some references:

Pulsatie van klassieke Cepheiden

Mijn zoektocht naar de fysica van pulserende sterren met in’t bijzonder de pulsatie van klassieke cepheiden (d Cephei).

In normale omstandigheden zijn sterren stabiel. De ster is in evenwicht door enerzijds de zwaartekracht en de uitgaande kracht veroorzaakt door de druk van het hete gas. Als de ster zou samentrekken zal dit worden tegengewerkt doordat de temperatuur en de druk in de kern wordt verhoogd en de energie door fusiereactie zal toenemen. Dit is gekend als het e-mechanisme. Anderzijds, als de ster zou uitzetten dan daalt de temperatuur, de dichtheid en de druk in de kern en zal ze terug in evenwicht worden gebracht door de zwaartekracht. Zowel het samentrekken als het uitzetten van de ster(kern) leidt door wrijving niet tot kinetische energie en geeft daarom geen aanleiding tot pulsatie⁽¹⁾ .

Opdat een ster zal pulseren zal afhangen van een mechanisme dat systematisch stralingsenergie omzet in kinetische energie en daarbij groter is dan de wrijvingskracht. Dat mechanisme bestaat en is gekend als het k-mechanisme.

We hebben eerder gezien dat als een ster samentrekt, de dichtheid en de temperatuur in de ster toeneemt.  In sterren met een oppervlaktetemperatuur tussen 6000K-8000K zijn er onder de fotosfeer partiële ionisatie zones aanwezig. In deze zones zijn onder meer waterstof (H) en helium (He) geïoniseerd. In de partiële He zone is het He éénmaal geïoniseerd tot He⁺ en deze laag is vrij transparant. Als de temperatuur in deze partiële He zone toeneemt wordt het He⁺ geïoniseerd tot He²⁺.  Deze laag is eerder opaak in vergelijking met de He⁺ - laag. De partiële He²⁺ zone houdt dus de energie tegen met als gevolg dat de ster druk begint op te bouwen en uit zal zetten.  De partiële He²⁺ zone zal mee in de richting naar het oppervlakte verplaatsen waar de temperatuur en de dichtheid lager is. Dit zal ertoe leiden dat He²⁺opnieuw een elektron zal vangen (recombinatie) om He⁺ te vormen.  Zoals we gezien hebben is de He⁺- laag transparant waardoor de vrijgekomen energie afkomstig van de recombinatie naar He⁺ zal worden vrijgelaten.  De energie zal hierdoor aan de omliggende (buiten)lagen worden overgedragen waardoor niet alleen de temperatuur snel zal oplopen maar ook de ster veel helderder wordt. Het energieverlies in de He⁺-laag zorgt ervoor dat de druk daalt en de ster terug zal samentrekken. De partiële He⁺ zone verplaatst zich terug in de richting van de kern, wordt opgewarmd en de dichtheid en temperatuur stijgt opnieuw. Opnieuw zal het He⁺ worden geïoniseerd tot He²⁺ en zal er energie in deze laag worden opgeslagen. En alles begint opnieuw.

De pulsatie wordt gedreven in de buitenlagen van de ster, net onder de fotosfeer. Dit is geweten omdat ionisatie van He⁺ naar He²⁺ gebeurt bij temperaturen van 40.000K. Deze temperatuur is hoger dan de temperatuur van de fotosfeer maar wel veel lager dan de temperatuur van 2miljoen K aan de convectiegrens (overgang van de stralingszone naar de convectiezone).

Wanneer we de grafieken⁽¹⁾ van helderheid, temperatuur en diameter van de ster nader bestuderen dan valt het op dat de helderheid van de ster het grootst is nadat de diameter van de ster het kleinst was.  Uit berekeningen blijkt dat de ster het helderste is wanneer de partiële waterstof ionisatie zone zich het dichtst bij het oppervlakte bevindt. Dit wordt verklaard doordat de invallende energie, afkomstig van de partiële He⁽¹⁾ zone, aan de basis van de partiële waterstof ionisatie zone overeenkomt met het tijdstip dat de diameter van de ster het kleinst is. Ogenblikkelijk erna wordt deze partiële waterstof ionisatie zone naar buiten toe geduwd samen met de energie. Het tijdsverschil tussen het moment van kleinste sterdiameter en het helderste moment is gekend als fasevertraging (phase lag). Volgens Percy^(b) vindt het tijdstip van de maximum helderheid plaats 0,25T (T = pulsatieperiode) na het bereiken van de minimum diameter van de ster.

Ik wil nog meegeven dat de energie voor de lichtsterkte (L) wordt gedreven door de temperatuur (T) eerder dan de oppervlaktevergroting (A) door de uitzetting van de ster. Dit kunnen we uitleggen door gebruik te maken van de Stefan-Boltzmann stralingswet L~AT⁴. Als we als voorbeeld aannemen dat bij pulsatie de temperatuur stijgt van 5500K naar 6600K en de ster 15% uitzet^(d) dan zorgt de temperatuurstijging voor een toename van de lichtsterkte met 107%. De stervergroting (4πR²) heeft een slechts aandeel in lichtsterkte van 32%.

 

Bronnen:

(1)    Figuur 14.10 blz 493 van a)

(2)    Figuur 6.6 blz 148 van b)

a)    An Introduction to Modern Astrophysics, B.W. Carroll, D.A. Ostlie, Cambridge University Press, 2021

b)      Understanding Variable Stars, John R. Percy, Cambridge University Press, 2007

c)    Chapter 24 (19 video’s) of Variable Stars on youtube channel Ilectureonline van Michel Van Biezen https://www.youtube.com/@MichelvanBiezen/playlists

d)     http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Astro/cepheid.html

 

----------------------------

Minkowski Hermann

Today, Jan 12, we remember Hermann Minkomski's death anniversary. Hermann Minkowski was a Jewish German mathematician. He used geometrical methods to solve problems in the special relativity theory of Einstein. Minkowski is perhaps best known for his foundational work describing space and time as a four-dimensional space, now known as "Minkowski spacetime".

See also my blog on Minkowski Diagram: https://pascalhilkensastropage.blogspot.com/2020/10/twin-paradox-minkowski-diagram.html

Visiting Virgo (EGO) Cascina

Today I (together with my Family) visited the Virgo center (European Gravitational Observatory) at Cascina near Pisa in Italy. The road for the last 2km were terible and my car was almost damaged!

The tour started with only 5 of us and later on 2 more Polish people joined. The presentation at the seminar room was clear and to the point. Next we visited the main building office and getting more in depth technical information about the mirrors (these look like glass but do reflect the infrared laser light), the vacuumsystem, the michelson interfermeter, the pendulum system (7 pieces),…

Thereafter we could get into the tube system (which is 3km in total and another 3km for the other one which is 90' oriented). In side the main building we could see the laser, the laserrecuperation system, the beamsplitter, the mirror to resend the laserbeam up to 100times back and forth before getting back into the splitter and to the detector.

The Virgo detector is currently upgraded and to be commissioned and should be ready next spring. Currently Virgo detected more the 80 gravitational waves and typical one per week. With the upgrade expectations are to record gravitational waves on a daily base.

Thx to the Virgo team to share the information and showing us the location in detail.

Neutronensterren (NL)

Studium Generale Maastricht Online Lezing : Neutron stars are Weird.
1 februari 2021 door Prof. Anna Watts, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam
Aanwezig : 101 deelnemers waaronder Pascal Hilkens en Lieven Philips

Verslag
Pascal Hilkens & Lieven Philips

Neutronen : Hoe het begon?

Op 10 mei 1932 verscheen er een artikel van James Chadwick waarin hij het bestaan van een neutraal deeltje, het neutron aankondigde. Enkele jaren na deze ontdekking, in 1934, schreven Baade & Zwicky 2 artikels (On Supernovae en Cosmic Rays from Supernovae) waarin ze beschreven dat een supernova de overgang is van een ster naar een neutronenster.

Ondertussen weten we dat sterren evolueren afhankelijk van hun massa. Sterren met een kleine massa eindigen als een witte dwerg en sterren met een grote massa evolueren naar een rode reus en daarna vindt een supernova plaats, met de vorming van een neutronenster of zwart gat.

De ontdekking van een pulsar

Op 6 augustus 1967 ving Jocelyn Bell radiosignalen op met een radiotelescoop, terwijl ze aan haar doctoraat werkte aan de Universiteit van Cambridge. Ze besprak deze met haar professor die haar adviseerde om het signaal te registreren met een betere en snellere recorder. De volgende maanden waren telkens vruchteloos maar op 28 november 1967 werd het signaal opnieuw geregistreerd. Op de coördinaten met rechte klimming 19h19m werd zo de eerste pulsar, vandaag gekend als PSR1921+2153 (eerder CP1919 Cambridge Pulsar) ontdekt. Het signaal piekt elke 1,3 seconden. Omdat het om een stabiel iets gaat, klein is en daarenboven zeer snel ronddraait en het feit dat we het ook kunnen “zien”, werd geopperd dat dit wel eens neutronenster zou kunnen zijn. Een snel ronddraaiende neutronster met een sterk magnetisch veld dat een “jet” van straling produceert; en telkens de “jet” in het verlengde van de Aarde komt, kunnen we de jet of “pulsar” ontvangen. Ondertussen zijn er al meer dan 3000 pulsars ontdekt.

Pulsars worden voornamelijk ontdekt door radiotelescopen (Puerto Rico Arecibo, Nederland LOFAR, China FAST,…) maar worden ook ontdekt door X-ray en gamma telescopen zoals de ruimtetelescoop Fermi.

Opbouw van neutronensterren

Een neutronenster heeft een diameter van een 30-tal km en een massa gelijk aan 1 tot 2maal de zonnemassa. Ze zijn dus extreem klein met een enorme dichtheid waardoor de zwaartekracht aan het oppervlak enorm groot moet zijn. Berekeningen geven een zwaartekracht die 1 miljard groter (jawel 10+9) is dan de zwaartekracht op aarde.

Men denkt dat de oppervlakte van een neutronenster bestaat uit een vast oppervlak en bestaat uit normale atomen (met protonen, neutronen en elektronen). De kern van een neutronenster zou vloeibaar zijn met voornamelijk neutronen en waarbij de aanwezige protonen en elektronen zodanig in elkaar worden geperst dat ze een neutron vormen. Het binnenste van de kern zou bestaan uit een quarksoep bestaande uit up, down en strange quarks.

Het magnetische veld en magnetars

Het magnetisch veld van de Aarde bedraagt zo’n 0,5 Gauss (0.00005 Tesla), dit van de zon 1 G of 0.0001 T, een neodymium magneet in je keukenkoelkast 13200 G of 1,32T. Het magnetisch veld in een neutronenster bedraagt gemakkelijk 1.000.000.000.000 Gauss of 100.000.000 Tesla. Waarom hebben neutronensterren zo’n sterk magnetisch veld? Het antwoord hierop is voorlopig nog altijd door behoud van energie. Het magnetisch veld van de oorspronkelijke ster is behouden maar is door compressie gebald in een sfeer met enkele km doormeter. Met andere woorden: het magnetisch veld van de oorspronkelijke ster (dat ontstaat door stromen van geladen deeltjes, zoals bij een dynamo) wordt samengebald door het inkrimpen van de ster, terwijl de onderliggende stromen van geladen deeltjes wegvallen.

Neutronensterren die nog eens een 1000 maal sterker magnetische veld hebben, worden magnetars genoemd. Het magnetisch veld is zo sterk dat het zelfs deeltjes kan creëren vanuit het “vacuum” (door de omzetting van energie in massa via E=m c2). Een bekende magnetar gebeurtenis deed zich voor op 27 december 2004 met magnetar SGR1806-20. Mogelijks veroorzaakt door een scheur in het oppervlak van de neutronenster werd het magnetisch veld herschikt (reconnectie) waarbij in enkele seconden enorm veel energie vrijkwam waaronder energie in het X-stralen en gammagebied. Verschillende satellieten “zagen” dit event en werden rechtstreeks en onrechtstreeks (via reflectie op de maan) “verblind”. De magnetar bevindt zich op een afstand van 50 miljoen lichtjaar maar kon dus toch de aardse atmosfeer ioniseren en satellieten bijna onklaar maken.

Hoeveel energie kwam er vrij tijdens het event op 27/12/2004 met SGR1806-20? Volgens de literatuur zou er 2.10+39J zijn vrijgekomen (ref. Nature 2005 Apr 28;434(7037):1107-9 doi: 10.1038/nature03525).

Onze zon straalt elke seconde 3.85.10+26 joule uit. Omgerekend betekent dat de magnetar gebeurtenis een energie vrijgaf die de zon zou uitstralen over een periode van 164000 jaren! Wow.

Nog een andere klasse neutronensterren.

Zoals eerder aangegeven zijn neutronensterren klein met een hoge dichtheid en een enorme zwaartekracht. Ze kunnen daardoor materiaal van een andere ster opnemen. Het materiaal begint sneller en sneller rond de neutronenster de draaien in een zogenaamde accretieschijf waardoor het heter en heter wordt. Het hete gas straalt X-rays uit en waterstof en helium kan zo heet worden dat er fusie ontstaat. Echter zonder tegendruk is de reactie onstabiel en explodeert het gas. Dit gebeurt dan telkens opnieuw… uur na uur met het vrijkomen van telkens 100 miljarden waterstofbommen. We kennen dit fenomeen als een thermo nucleaire uitbarsting.

NICER experiment.

Op 3 juni 2017 werd NICER (Neutron Star Interior Explorer) gelanceerd met een Falcon 9 raket richting ISS. Astronauten plaatsten daarna het NICER-instrument aan de buitenzijde van het ISS. Het doel van de missie was om via directe observatie de massa en straal van een neutronenster te bepalen. Hiervoor gaat men uit van de stelling dat het materiaal dat op het oppervlak instort een snelheid heeft van 10-20% van de lichtsnelheid door de enorme versnelling in het zwaartekrachtveld. Deze versnellende materie zendt X-rays uit die afgebogen worden door het enorme zwaartekrachtveld van de neutronenster. Indien er zich “vlekken” op het oppervlak voordoen dan zullen deze door de relativistische effecten ook zichtbaar blijven wanneer de “vlekken” zich “achter” de neutronenster bevinden, bekeken vanuit de Aarde.

Het resultaat is dat PSRJ0030+0451 foton per foton werd geanalyseerd en na modelleren met de supercomputer Cartesius kon men de neutronenster “bekijken, wegen en meten”. De diameter bedraagt 25 km en verder kon men vaststellen dat de magnetische velden niet recht tegenover elkaar staan. Als gevolg hiervan werd zelfs de missiepatch aangepast 😊

Twin Paradox Minkowski Diagram

A space time diagram or Minkowski diagram made of the Twin Paradox. I used my old fashioned graph paper to draw both "twin" situations.

Left : earth twin "leaving" the rocket twin
Right : earth twin "staying, and the rocket heading away (and returning)
Both believe  the other one is younger as they "see" the other one moving away.

 

The Solar System Barycenter

The Barycenter of our Solar System is the mutual center of mass of the total Solar System with the Sun and all it's Planets. 

So the Sun and the Planets orbit this mutual center. This center or Barycenter of our Solar System moves depending the position of the planets. The location of the Barycenter is mainly driven by Jupiter and next by Saturnus, Uranus, ...

Sometimes the Barycenter is located within "the Sun" but as it is currently, the Narycenter is located outise the photosphere of the Sun. See picture above - the Sun is drawn in Yellow.

For more information see this website.

Alrediph Delta Cephei the prototype standard candle

Alrediph or Delta Cephei, is the prototype star of the class of  Cepheid variables and located in the constellatioin Cepheid. Its apparent visual magnitude at minimum is 4.34 and at maximum 3.51, changing in a regular cycle of about five days and nine hours. Its variations in brightness is imporatant becayse there’s a relationship between the length of each beat and the star’s brightness. Astronomers can use that relationship to measure the star’s distance. That makes them valuable tools or standard candles for helping to measure the scale of the universe.

Black Holes Video

Interesting video talking about black holes. Quit interesting (and new for me) is the fact the scientist believe that alone in our own galaxy 1 billion black holes are hidden - and only 60 are "found".

For the video use this link.

Earliest stars born 180 million years after the Universe began.

After 12 years of experimental effort, a team of scientists, led by Arizona State University School of Earth and Space Exploration astronomer Judd Bowman, has detected indications of the earliest stars in the universe. Using radio signals, the detection provides the first evidence for the oldest ancestors in our cosmic family tree, born a mere 180 million years after the universe began.

An observation profile centred around 78Mhz in the sky-averaged spectrum was discovered. “What’s happening in this period is that some of the radiation from the very first stars is starting to allow hydrogen to be seen," said Rogers. "It’s causing hydrogen to start absorbing the background radiation, so you start seeing it in silhouette, at particular radio frequencies. This is the first real signal that stars are starting to form, and starting to affect the medium around them.”

For more information here.

Ligo detects gravitational waves for the third time.

For the third time, LIGO spots gravitational waves? This time the merging black holes are as far as 4 billion ly (farrest so far) from earth and a combined 49 sunmasse s - see article.

NASA & Belgium Team discovered 7 Earth-like planets just around the corner

In May 2016 the TRAPPIST (TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope) telescope in Chile lead by Belgium atronomers found 3 exoplanets around a star which got the name Trappist 1.  Today NASA announced that the Spitzer Space Telescoop confirmed the existance of those 3 exoplanets and found 4 more around the star which is located only 40 light years from our system. All exoplanets are in the habitable zone. See main article from NASA and Belgium related article.


The discoverage has some Belgium roots and "The Washington Post' wrote: "Like Trappist beer, speculoos (Search for Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars) are a Belgian delicacy. The next effort will have to be called WAFFLES"

Second Gravitational Wave Source Found By LIGO - Universe Today

Second Gravitational Wave Source Found By LIGO - Universe Today uit de Tweet van https://twitter.com/fcain/status/744598141580812288?refsrc=email&s=11

Download de Twitter-app

Send by iPhone 6 iOS 9.2.1

Gravitational waves

This week big news when first time ever gravitational waves were detected.  All information on the creation, detection and the theory behind these waves you can find on Gravitional waves - LIGO

Sun - Earth - Space-Time Distortion

Interferometer using Nd-YAG Laser - detecting up to 10-19m

Waves detected by both LIGO Observatorys

An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30

The most luminous quasar  (quasi stellar radio sources) currently known is reported in the latest version of  Nature.
At the "borders" of the universe, 12.8 billion light years from earth, only 900 million years after the big bang this Quaser was formed. The massive black hole has a mass of 12 billion solar mass. It's not the most massive one (cfr 39 billion solar mass) but in comparison with the black hole in our milky way of 4.1 million solar mass, it's gigantic.

Earth in universe - local galactic group - Virgo supercluster

Where are we located within the Universe?

Our planet Earth is part of the solar system together with 7 other planets. Next, our Solar system is located within the Orion Arm of our Milky Way Galaxy.

Our Milky Way Galaxy together with M31 Andromeda Galaxy (2million ly away from us) and more then 30 other smaller galaxyes are part of the Local Galactic Group.

More then 100 kind of these local galactic groups form another group called the Virgo Supercluster.

Currently many of these superclusters are what we today call the Observable universe.

Source Wikipedia.

Nothing happens in our universe...

Watch this youtube video and you will be amazed the universe is one big exploding area.

History of supernova detection

Evidence on how our universe began

This week scientists realeased the news of evidence how the universe began. The theory explains that a fraction of a second (read 10-32s after the big bang) the universe rapidly expanded which we call the inflation. In this period quantum effects are still dominant so no real direct evidence to prove the theory. Indirectly however scientics could observe the afterglow using the Bicep2 observatory at the south pole. This afterglow is the cosmic microwave radiation (CMR) which could have all data when travelling through space. Observers found specific polarazation (B-Mode) of the CMR which can be explained from gravitazional waves. And these gravitazional waves are the first withnesses of our early universe.

 

This image provided by the BICEP2 Collaboration shows slight temperature fluctuations, indicated by variations in color, of the cosmic microwave background of a small patch of sky and the orientation of its polarization, shown as short black lines. Researchers say since the cosmic microwave background is a form of light, it exhibits all the properties of light, including polarization. The changes in a particular type of polarization, indicated here, are theorized to be caused by gravitational waves. These waves are signals of an extremely rapid inflation of the universe in its first moments. (AP Photo/BICEP2 Collaboration) -Ref. Phys.Org

If you want to read more see BICEP2 2014 News release website