Runding.dk





Quarks, Quasarer og variabel G


Finn Gemynthe Madsen Artikel i Astronomi & Rumfart, september 1982


  1. Kosmologiens problem
  2. Efterlyses: G-variabel
  3. Naturens princip: + og ÷
  4. G og anti-G i quarkstjerner
  5. CygnusX-1
  6. Quasaren
  7. Quasarens konstans
  8. Galakseskabelsen
  9. Big Bang
  10. Formernes oprindelse


 
 


1. Kosmologiens problem
Alle gode forsøg på at skabe en nogenlunde forståelig og sammenhængende kosmologi strander i det sorte hul. Denne mystiske singularitet hjælper os ikke til at forstå universet, det sorte hul synes snarere at forebygge skabelsen. I en artikel i Dansk Amatør Astronomi, juli 1980 "Det svingende univers" udtrykker John Gribbin det således: "Som alle i dag har Park og Landsberg ingen midler til direkte at klare forvandlingsproblemerne omkring de sorte huller. De kan ikke beregne gennem sort hul / hvidt hul forvandlingen, så de må snyde lidt: De vender simpelthen sammenbruddet, når modellens tæthed bliver for stor".
Hvad er det, der får videnskaben til at affinde sig med snyderi? - Antagelsen, at gravitationen (G) er konstant ved ethvert tryk!
Så længe den antagelse står ved magt, må der arbejdes videre med de ubehagelige sorte huller. Ubehagelige, også blot på grund at små ængstelig e indvendinger: Krænkes i virkeligheden ikke hele naturens symmetri og hermed Einsteins E=MC, hvor stof til enhver tid er potentiel energi og omvendt. Det sorte hul er jo ganske asymmetrisk, stof forsvinder i gravitationsenergi uden returbillet.
Et andet ængsteligt spørgsmål: Kan vi uden videre gå ud fra, at stof lader sig "klemme ud at eksistens?" Stoffets grundbestanddele, de magiske quarks, synes faktisk at være i pagt med forbløffende stærke kræfter, f.eks. er det tilsyneladende umuligt at splitte dem ad, uanset hvor store energimængder man forsøger sig med. Omvendt glider de frit rundt mellem hinanden, hvor stoftætheden er højere end i en neutronstjerne, ifølge Michael Reich i et læserbrev i Astr. Tidsskr. 1980 nr. 2. Under overskriften: Quark modellens entre i astrofysikken: Quarkstjerner.

2. Efterlyses: G-variabel
Ifald G fik lov at variere, ville mange problemer løse sig at sig selv. Et massivt objekt tungere end de kritiske 3 solmasser behøvede da ikke kollapse til et stort hul, men kunne danne en quarkstjerne. Og med en G, der falder ved stigende tryk, kunne man forestille sig uhyre massive objekter, f.eks. quasarer, bestående af frie, "flydende" quarks. De to Q'er sættes faktisk at og til i forbindelse med hinanden, Verschuur kommer med en sådan antydning i sin bog, The invisible Universe. The Story of Radio Astronomy: "Quasarer og quarks står måske med nøglerne til gemmesteder af viden, som endnu er lukkede for os". (s. 114)
Er quasarer gigantiske "dråber" at quarkstof, kan galakser følgelig være "skumsprøjt" fra eksploderede quasarer, og galaksekerner resterne at de oprindelige quasarer. Og selve Big Bang kan have været quasaren over alle guasarer. Måske resultatet at et imploderende forrige univers, der på grund at anti-gravitation svingede udad påny til endnu en turnus.
Men hvis en G-variabel kan ændre kosmologien så drastisk, hvorfor benyttes den så ikke at videnskaben, om ikke andet så som alternativ model? Det er jo aldrig bevist, at G er konstant. - Årsagen er, at Einsteins generelle relativitetsteori krænkes. Gravitationsenergien ved faldende G kan ikke sådan forsvinde i den blå luft, og det bliver svært at forklare, hvor energien ellers forsvinder hen. Dette problem skænkede jeg i min amatør-begejstring ikke en tanke, for tilsyneladende fik ideen (som pludsel ig slog ned i mig under læsning af Gribbins bog "White Holes" en bunke brikker til at falde på plads. Da jeg så blev gjort opmærksom på, at det var her, hunden lå begravet, faldt det mig meget svært at opgive visionen, og jeg tænkte, at G-energien muligvis blev konverteret til temperatur forøgelse el.lign. Men til sidst fandt jeg en udvej, der synes at tillade G at variere, uden at G-energien bliver borte.

3. Naturens princip: + og ÷
Det er karakteristisk for naturen, at den holdes i ligevægt ved hjælp af modsat rettede kræfter. Atomet f.eks. er jo opbygget af de positive protoner overfor de negative elektroner. Og princippet forekommer at være videre udbygget til et gennemført symmetrisk system: Protronen har en antiproton, elektronen en positron, ja selv den masseløse neutrino har en antineutrino. Ofte gøres en hypotetisk partikel kaldet gravitonen ansvarlig for tyngdekraften, og som en analogi virker det fristende at foreslå eksistensen af en antigraviton. Men hvad tyngdekraften end skyldes, så kunne antigravitation være den faktor, som skaber ligevægt i den kosmiske skala.
Rummet omkring en partikel eller en stjerne er ifølge Einsteins relativitetsteori i virkeligheden krumt, kugleformet. Omvendt kunne rummet omkring et legeme i anti-G tilstand have en negativ krumning, være sadelformet. I debatten om, hvorvidt universet er endeligt eller uendeligt, benyttes tilsvarende billeder: Hvis universet er endeligt, er det kugleformet, hvis det er uendeligt, er det sadelformet.
Lys eller partikler i solens nærhed bøjes af det krumme rum ind mod solen. Omvendt vil det gå omkring et anti-G legeme, både lys og stof bøjes bort, og det var jo faktisk netop, hvad der skete under Big Bang.

4. G og anti-G i quarkstjerner
I elementarpartiklens "boblefængsel" (for at benytte et af fysikernes malende billedord) har quarkerne ganske gode pladsforhold. Men ved et hyperneutronstjernetryk brister boblen, og quarkerne presses så tæt sammen, at de enten må lade sig klemme ud at eksistens i et sort hul eller udøve en eller anden form for modenergi.
Lad os forsøgsvis antage, at gravitonen erstattes af anti-gravitonen, når afstanden mellem quarkerne bliver tilstrækkelig lille. Ouarkerne i en quarkstjerne flyder eller vibrerer hid og did, og jo større tæthed, desto hyppigere opnås den nærkontakt, hvor anti-G erstatter G. Ved et givet tryk vil der da statistisk findes et helt bestemt forhold mellem de to G-former, Dette forsøger jeg at illustrere på fig. 1.

Fig. 1.
Den procentvise fordeling mellem G og anti-G i quarkmasse ved stigende/faldende tryk. Den totale G-energi forbliver 100% gennem hele forløbet, eftersom anti-G repræsenterer nøjagtig samme energikvantum som G. (De enkelte punkter søges forklaret I det følgende).
Fig 1.

5. CygnusX-1
Sorte huller er yderst vanskelige at opdage, for selv når indfaldende stof afgiver stråling, kan strålingsbilledet dårligt skelnes fra neutronstjernernes. Man mener dog at have fundet en god sorthulskandidat i Cygnus X-1. Udfra de påvirkninger, den normale stjerneledsager udsættes for, kan det beregnes, at Cygnus X-l's masse må ligge på 5-8 gange solens, hvilket for et massivt objekt er ensbetydende med et sort hul. Inden jeg går videre, må jeg derfor komme med et andet bud på, hvad Cygnus X-l kan være:
En neutronquarkstjerne, bestående at en skal af neutroner og en kerne at quarks. I stjernens centrum er trykket så højt, at "partikelboblerne" er bristede, og quarkerne flyder frit mellem hinanden. Derved registreres noget at G-energien som anti-G, og stjernen undgår kollaps.
Jo tungere et massivt objekt, desto mere vil det bestå af quarks, og der kommer et punkt, hvor selv den yderste skal udgøres at quarks. Da har vi det hvide hul/quasaren!

Fig 2.
Fig. 2.
  1. Quasar.
  2. Quarkfordampning.
  3. Fusionszone.
  4. Magnetfeltzone, ladede partikler afbøjes elektroner udsender synchrotronstråling.
  5. Liniespektraskyer.
  6. Absorptionslinileskyer.

6. Quasaren (se fig. 2)
En quasar udstråler enorme energimængder. Overfladetemperaturen er ufattelig høj, og der sker en stadig "fordampning" af quarks. Så snart trykket er aftaget tilstrækkeligt, "limer" de sammen til elementarpartikler, d.vs. ren brint i plasmaform. Dette formidable kernebrændsel fusionerer i et omfang, som måske når op i nærheden at Big Bangs urfusion, hvor ca. 25% af brinten omskabtes til helium.
I denne heksekedel accelereres partiklerne op til nær lysets hastighed og jager udad mod det lavere tryk. Når sådanne relativistiske elektroner afbøjes i et magnetfelt, udsendes den såkaldte synchrotronstråling, som er karakteristisk ved at være polariseret. Protronerne afbøjes også at magnetfeltet, men ikke neutronerne, og således opstår der "trafikkaos," og de talløse sammenstød medfører yderligere fusion. Hermed produceres der en række tungere grundstoffer, såsom kul, ilt os.v, men mange brintatomer slipper igennem, og "den relative fordeling mellem disse forskellige grundstoffer er, så vidt vides, fuldstændig normal." (Shipman: Black, Holes, Quasars and the Universe, 1976 s. 168. Min beskrivelse at quasarens omegn bygger på denne bog).
Tætheden falder stadig, jo længere bort fra heksekedlen partiklerne slipper, men atomkernerne har svært ved at fange og fastholde de løbske elektroner, som hele tiden slås bort at energirige fotoner fra fusionszonerne. Hver gang en sådan erobring finder sted, udsendes der fotoner med bestemte bølgelængder, hvilket giver karakteristiske liniespektra.
Til sidst får skyerne af udkastet stof lov til at køle af, og de danner en vidtstrakt tåge, en såkaldt halo, at galaktisk format omkring quasaren. Disse kolde skyer giver absorptionslinier i spektret.

7. Quasarens konstans
Figur 1's "G-variabel" åbner mulighed for, at yderst massive objekter kan befinde sig i en ligevægtstilstand i milliarder af år. Ethvert tilløb til kollaps medfører tæthedsforøgelse, hvorved G mindskes, mens anti-G øges. Modsat bremses eksplosive tilbøjeligheder af stigende G og faldende anti-G.
Imidlertid mindskes tætheden ganske langsomt i takt med quarkfordampningen, og ligevægten kriserammes, når quasaren ikke længere i samme grad kan lukrere på stigende G / faldende anti-G. Quasarkonstant on bryder sammen!

8. Galakseskabelsen
Grænsen mellem quasarer og galakser lader til at være mere flydende end først antaget. Mælkevejens centrum udsender et quasaragtigt strålingsbillede, blot af langt svagere intensitet, og fra de urolige Seyfert og N-galakser modtager vi energiopbud, der nærmer sig quasarernes. Shipman opstiller ligefrem et sammenligningsskema for de forskellige galakse- og quasartyper.
Gribbin siger om de elliptiske galakser, at de er "slutproduktet at jævn, ensartet ekspansion bort fra et hvidt hul." (White Holes, s. 77. Gribbin mener iøvrigt, at stof, der forsvinder i sorte huller, kan dukke op andetsteds i universet i form af hvide, en fascinerende, men for mig ufattelig tanke). Og mange anser faktisk i dag quasarerne for at være en slags proto-galakser.
Antager vi, at galakser skabes af udslyngede stofmasser fra quasarer, kan følgende udviklingsmodel opstilles: I starten spreder quasaren ligeligt sit udput til alle sider. Årmilliarders quarkfordampning medfører stadig stigende effektiv G, og i de yderste, "tyndeste" lag bryder quasarkonstanten sammen. Herved skrumper quasaren ind, og rotationen øges. Stofudsendelsen koncentreres mere og mere omkring ækvator, som til sidst sprænges og udspyr vældige gasmasser som en kosmisk fyrværkerisol.
Tilsyneladende harmonerer de forskellige galaksetyper med modellen:
Den "antikke" runde form eksisterer stadig i form at en kuglehobene, mini-satellit-galakser, som kun består af ældgamle stjerner. Quasarkonstanten brød hurtigt sammen én gang for alle. Quasaren var for svag til at sende udputtet langt ud i rummet.
Den elliptiske form rummer hovedsagelig gamle stjerner. De små udgaver af typen har I reglen uanselige kerner, quasaren har for længst givet alt, hvad den havde i sig. De store ellipsekerner virker derimod såre aktive, spiraludbrud truer.
Spiralformen repræsenterer det yngste udviklingstrin. Her findes gaståger, hvori nye stjerner stadig dannes. En spiralgalakses fødsel kan muligvis iagttages på "nært" hold: M82 "indeholder turbulente brintskyer at uhyre omfang. Deres hastigheder på op mod 1000 km. i sekundet tyder på, at de stammer fra en gigantisk eksplosion i systemets centrum." (Moore, Atlas over verdensrummet, s. 212).
Har denne udviklingsmodel noget på sig, bør alle tre faser kunne registreres i vor egen Mælkevej. Vor galakse er en spiral, men omkring sig har den som en mægtig boble en halo bestående at spredte, meget gamle stjerner. Mere i plan med spiralen findes der en elliptisk inderregion, (som tydeligere ses i nabospiralen Andromeda) hvori stjernerne fortrinsvis tilhører population II-typen, altså en ret bedagede. Overgangen til spiralform kan have været en uhyggeligt dramatisk hændelse. Milliarder af solmasser slyngedes ud fra kernen, og eksplosionen var endda i dette tilfælde så gigantisk, at enorme, turbulente gasmasser forlod systemet og dannede de irregulære Magellanske Skyer, som er rige på gaståger og unge stjerner.
Men de indre dele af quasaren befandt sig længere nede ad "G-varablen", hvor quasarkonstanten endnu stod ved magt. Derfor huser vor galakse stadig en aktiv kerne i sit centrum. Ifølge Yearbook of Astronomy, 1979, s. 224, et objekt med en diameter svarende til Jupiters bane. (En neutronstjernes diameter er at størrelsesordenen 30 km.) I så fald kunne det være interessant at vide, omtrent hvor på konstanten vor quasar befinder sig, selv om vi nok skulle være mere end almindeligt uheldige, dersom vi måtte se konstanten bryde sammen i morgen!

Fig 3.

Fig. 3, Galaksekerneområde.
A: Quasar affladet pga. kraftig rotation,
B og C: Fordampning og fusion foregår næsten kun ved ækvator,
D: Elektroner nedbremses hurtigt af tætte gasskyer i ækvatorplanet
E og F: hvorfor synchrotronstrålingen bliver minimal.
G: Elliptisk inderregion.
H: Hato.

9. Big Bang
Det virker lidt utilfredsstillende at få Big Bang forklaret som en enestående, pludselig supereksplosion, der blot resulterer i altings forsvinden ud i tom evighed. Teorien om det svingende eller pulserende univers løser fortids- fremtids problematikken, men som Gribbin pointerer, volder det sorte hul store vanskeligheder. Kort sagt, hvad får universet til at svinge udad igen? Jeg synes, anti-G er en mulighed, der fortjener overvejelse.
Når det gamle univers styrter sammen, overgår større og større stofmængder til quarkstadiet. Rundt omkring i quarkmasserne nås tætheder, hvor anti-G dominerer. Herfra vil anti-G bølger hurtigt rulle udad, da qurks i skellet mellem implosion og eksplosion udsættes voldsomt ekst ratryk. Snart råder anti-G 100%.
Alligevel tager det sikkert en rum tid at få bremset altets samlede masse, der kommer buldrende med en fart nær lysets, og imens øges tætheden stadig. Men til sidst "vender vinden", og i et tidsrum at samme størrelses orden accelereres universet udad, indtil anti-G ikke længere dominerer. Derefter kan udviklingen have fulgt kendte baner, bortset fra at der rundt omkring dannedes quarkstjerner i stedet for sorte huller, som ofte menes at have koncentreret stoffet i quasarer og galakser. Quarkstjernerne befinder sig i et rum af høj stoftæthed, hvorfor vældige mængder at elementarpartikler tiltrækkes og regner ned på overfladen. Denne tætte regn forhindrer quarkfordampningen i at komme igang, massen øges og øges, men selv hvis quarkstjernen skulle nå ned på en fordeling på 51 G overfor 49 anti-G, ville det resulterende tyngdefelt trods alt være anseligt, netop på grund af den enorme masse.
Når partikelregnen omsider er aftaget tilstrækkeligt til at quarkfordampningen kan begynde, tændes fusionsbranden over quasaren, og galakseskabelsesprocessen er så småt igang.
De seneste års jagt på de aller fjerneste quasarer synes at afsløre, at der findes en grænse på omkring 15 milliarder lysår (91 % at lysets hastighed) bag hvilken ingen quasarer kan iagttages. OQ 172, der har denne rekordafstand, opdagedes helt tilbage i 1973. "En at de enkleste forklaringer er, at quasarer pludselig dannedes for omkring 15 milliarder år siden", (Scientific American, Februar 1982, s. 101). Måske var det på det tidspunkt, quarkstjernerne begyndte at afgive i stedet for at indsamle stof?
Der gives dog også en anden forklaring: Støv eller større stoftæthed kan opsuge lyset og forhindre videre udsyn. Og hvis vi vender tilbage til Big Bang, kan vi prøve at forfølge en alternativ udviklingshistorie, som "QQ-teorien" åbner mulighed for: Big Bangs ekspanderende quarkmasse revnede som en vældig isflage i en forårsstorm. Først i store stykker - supergalaksehobe, så i mindre - galaksehobe, og endelig i små stykker - protogalakser d.v.s. quasarer. Hver gang der opstod revner, udbrød der i disse en kolossal fusion, som i et stykke tid pressede "quarkflagerne" sammen og holdt dem intakte. Men på grund af universets hastige udvidelse, der betød fartforskelle i flagernes forskellige dele, fik quasarkonstanten først magt til at hindre yderligere sønderbrydning, da en vis kritisk quasar maximumsstørrelse blev nået.
Fordelen ved denne alternative hypotese ligger i, at der umiddelbart kan gives en forklaring på den extremt ujævne stoffordeling, hvor supergalaksehobene som langstrakte øer af galaksesamlinger er adskilt fra hinanden af enorme svælg af gabende tomrum.
To indvendinger: 3K baggrundsstrålingen kommer ligeligt fra alle hjørner at universet og indicerer en jævn fordeling at stoffet efter Big Bang. - Ja, men stoffet i "revnerne" mellem urquasarerne var sikkert også jævnt fordelt, og 3K strålingen kan i de ca. 20 milliarder års forløb være blevet så bøjet og "mixet", at de relativt små urquasarer (små sammenlignet med "tomrummet" - 3K udsendtes først efter lang ekspansionstid) ikke mere kan registreres.
Den anden indvending: Der må have befundet sig meget stof i "revnerne" for at give ophav til 3K. Og hvor er det siden blevet at? - Quasarernes tyngdefelter kan have været stærke nok til så at sige at støvsuge "revnerne" (og holde på deres eget udput), og der gik da måske 5 milliarder år, førend støvsugningen var så proper, at quasarerne begynder at kunne skimtes med vore bedste teleskoper.
Anskuet på denne måde kan Big Bang siges at være en uafsluttet proces. Stoffet i galaksekernerne har befundet sig der i 20 milliarder år og lurer stadig på at blive sluppet løs!

10. Formernes oprindelse
"QQ-teorien" tegner et billede af universet, som er enklere, end man er vant til. Nogle vil måske indvende, at billedet er for enkelt. Så simpelt kan det umådeligt komplicerede univers Ikke være opbygget. Herimod vil jeg forsvare mig med den franske matematiker René Thoms ord: "Vi må forkaste dette primitive og næsten kannibalistiske bedrag, at en forståelse af noget kræver, at vi først sønderbryder det, som et barn der flår et ur i småstumper og spreder hjulene omkring sig, for så at forstå mekanismen". (Citat fra Tor Nørrestranders' artikelserie i Information: Sort Hulisme, 5. 12. og 19. juli 81).
Thom mener, at det videnskabelige sprog bør tale i helheder snarere end i dele. Naturen kan forstås som stabile former, der er opstået via overgangsstrukturer, eller med et mere malende ord, katastrofer. Omend universets enkeltdele forekommer næsten kaotisk komplicerede, er verden alligevel "fyldt at form og figur". Som nu den enkle form Solen.
Thom siger endnu nogle ord, jeg kan forsvare mig med: "I en tid, hvor så mange lærde i verden er optaget af at beregne, er det så ikke ønskeligt, at nogen, som kan, drømmer?"
Men derfor ville det nu alligevel være rart med nogle konkrete beregninger for at forsøge at nå frem til "G-variablens" mulige værdier og få testet "QQ-teoriens" holdbarhed. Det ligner en vanskelig, men spændende opgave, og dersom nogen matematisk, astronomisk interesseret læser skulle få lyst til at hjælpe undertegnede, der vist er mere "drømmer" end matematiker, kunne vi måske starte et teamwork.

Fig. 4, 5 og 6, Stavspiralgalakse.
kan tænkes at opstå på følgende vis: Hurtigt roterende quasars ækvatorområde bryder sammen i kort tid og vældige gasskyer udslynges (B). Skyerns tyngdefelter rykker i den hårdt belastede ækvatorregion, nye brister opstår og så fremdeles. Efterhånden afkøles skyen og der dannes stjerner (C) Nogle galakser af denne type består stadig udelukkende af "stavene" men gradvist afbøjes yderenderne af gravitetionstrækket. (Muligvis er "stav-fænomenet" beslægtet med de "jets", som ofte udslynges fra quasarer).

Fig 4., 5. og 6.

Litteraturliste:

Cosmology Now, red. John Laurie, British Broadcasting Corporation, London 1973

Felsager, Bjørn: Sorte huller, Gamma nr. 45 og 48, 1980 og 82.

Gribbin, John: Det svingende univers, Dansk Amatør Astronomi, juli 1980.

Gribbin, John: White Holes: Cosmic Gushers in the Universe, Paladin 1977.

Golden, F: Kvasarer, pulsarer og svarte hull, Universitetsforlaget, Oslo 1977.

Lautrup, Benny: Kvarker og gluoner - dyr i fysikernes zoo, Politikens kronik 27.9. 1979.

Moore, Patrick: Atlas over verdens- rummet, Lademann, 1972.

Olesen, P: Hadronen som et kvarkfængsel, Gamma nr. 48, 1982.

Osmer, P.S.: Quasars as Probes of the Distant and Early Liniverse, Scient ific American, February 1982.

Shipman, H.L: Baick Holes, Ouasars and the Universe, Houghton M. Comp., Boston, 1976.

Superclusters and Voids in the Distribution of Galaxies, Gregory + Thomsson, Scientific American, March 1982.

Weinberg, S: De første tre minutter. Om universets oprindelse. Gyldendal, 1979.

Verschuur, G.L.: The invisible Universe. The Story of Radio Astronomy, Springer, New York, 1974.

Yearbook of Astronomy 1979, red. Patrick Moore.