Opwinding over eerste waargenomen zwaartekrachtsgolven

Honderd jaar nadat Albert Einstein het bestaan van zwaartekrachtgolven had aangetoond in zijn algemene relativiteitstheorie, zijn wetenschappers erin geslaagd ze rechtstreeks te detecteren. De beweging van enorme hemellichamen veroorzaken rimpels in ruimte-tijd zelf. Deze dynamische vierde dimensie is niet onbeweeglijk, nog onveranderlijk, maar kan zoals een trampoline rekken en buigen. Het zijn net deze minuscule bewegingen, afkomstig van twee botsende zwarte gaten, die gedetecteerd werden met behulp van de twee LIGO interferometers.  Een spectaculaire vondst, want dit opent de deur naar een compleet nieuwe onderzoeksmethode om het heelal te bestuderen.

Kosmische botsing

Zo’n 1,3 miljard jaar geleden ontmoetten twee enorme zwarten gaten met respectievelijk 29 tot 36 maal de massa van onze zon elkaar in een botsing op kosmische schaal. De catastrofale botsing was zo imens dat ze zwaartekrachtgolven doorheen de ruimte-tijd slingerde met de snelheid van het licht. Dit proces veroorzaakt rimpels in de ruimte-tijd vergelijkbaar met hoe stilstaand water reageert, wanneer je er een zwaar voorwerp in laat vallen.

Artistieke impressie van 2 botsende zwarte gaten en de zwaartekrachtgolven die ze daarbij veroorzaken. (NASA)

Einstein wist het al ...

Het bestaan van de zwaartekrachtsgolven werden honderd jaar geleden al voorspeld door Albert Einstein in zijn publicatie over de algemene relativiteitstheorie (1916). Daarin verklaarde hij dat ruimte en tijd geen afzonderlijke dingen zijn, maar verbonden zijn met elkaar. Grote hemellichamen, zoals sterren, kunnen de ruimte-tijd rekken en buigen. Net zoals een persoon een trampoline kan doen indeuken, wanneer die zwaar genoeg is.  Om deze reden draaien de planeten rond de zon. Ze rollen immers naar de zon toe door de deuk die zij maakt in de ruimte-tijd. Door hun constante snelheid vallen ze echter nooit in de zon, maar blijven ze eromheen cirkelen.  Zwaartekrachtgolven kunnen zo ook de dynamische  ruimte-tijd beïnvloeden, met als rimpelachtige vervormingen tot gevolg.

Wetenschappers, waaronder Einstein, namen al langer aan dat zwaartekracht in golven beweegt net zoals radiogolven, zichtbare licht of eender welke vorm van elektromagnetische straling. De zwaartekrachtgolven zijn echter veel moeilijker waar te nemen, omdat zelfs de inmense botsing van twee zwarte gaten slechts een minieme verstoring veroorzaakt in de ruimte-tijd.

Moeilijk te bewijzen

Het bestaan van de zwaartekrachtgolven werd eerder al aangetoond met indirecte waarnemingen, zoals die van Russel Hulse en Joseph Taylor in 1974. Zij ontdekte in het sterrenbeeld Arend een pulserende neutronenster die iedere acht uur rond een andere neutronenster draaide. Door de pulsatie te meten van de ster konden ze nauwkeurig de baan berekenen van beide sterren.

De resultaten toonden aan dat beide sterren langzaam naar elkaar toe bewogen. Ook dit voorspelde Einstein al, want door het “weglekken” van energie onder de vorm van zwaartekrachtgolven krimpt de baan van beide sterren. Onder impuls van deze ontdekking gingen wetenschappers naarstig op zoek naar directe bewijzen van het bestaan van deze zwaartekrachtgolven.

Daartoe werd onder meer het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) gebouwd. LIGO meet het “trekken” en “duwen” van ruimte-tijd aan de hand van twee L-vormige detectiestations. Het ene station staat in Livingston (Louisiana) en het andere in Hanford (Washington).

Beide stations bevatten 2 vacuümkokers van 4 km lang waarin een laserstraal in 2 gespleten wordt en verdeeld over beide kokers. De kokers bevatten spiegels waarop de nu 2 laserstralen terugkaatsen naar het beginpunt en er elkaar weer opheffen. Wanneer een zwaartekrachtgolf het station passeert wijzigen ze de lengte van beide kokers, waardoor de beide laserstralen een andere afstand moeten afleggen en elkaar in het beginpunt dus niet meer opheffen. Dit verschil kan dan gemeten worden met een lichtdetector.

Door dit simultaan te doen in beide stations, die ongeveer 3000 km uit elkaar liggen.  kunnen wetenschappers door middel van driehoeksmeting uitrekenen van welk punt in de ruimte de zwaartekrachtgolfven afkomstig zijn.

De noodzaak van 2 stations ligt hem in de gevoeligheid van de apparatuur. Die is zo gevoelig dat ze door de minste omgevingsfactor kan verstoord worden:  zoals bijvoorbeeld een voorbijrijdende vrachtwagen of een kleine aardbeving. Indien de meting in slechts één station plaatsvindt, is het dus vals alarm. Op 14 september 2015 hadden de onderzoekers prijs in beide stations en zo werden de zwaartekrachtgolven voor de eerste keer in de geschiedenis rechtstreeks waargenomen.

De apparatuur van LIGO is gevoelig genoeg voor zwaartekrachtgolven in een gebied van 10 tot 1000 cycli per seconde (10 tot 1 000 Hz). Een soortgelijk systeem in de ruimte zou die gevoeligheid drastisch kunnen verhogen van 0,0001 tot 0,1 Hz. NASA en ESA werken dan ook nauw samen om zo’n ruimtesysteem te ontwikkelen. De Europese LISA Pathfinder missie gaat onder andere technologie testen die bruikbaar zou zijn voor zo’n systeem.

Het LIGO detectiestation in Washington. (LIGO)

Grote ontdekking sinds het Higgs deeltje!

De waarneming van de zwaartekrachtgolven geeft astronomen een extra zintuig om de ruimte te bestuderen. Er zijn immers grote delen van het heelal die we met traditionele telescopen niet kunnen bestuderen, omdat ze geen licht uitstralen.

Zo kunnen we bijvoorbeeld de botsing van zwarte gaten bestuderen, supernova’s, dubbel neutronensterren, ... Ook al stralen sommige hemellichamen licht uit dan nog kan het op de weg naar onze aarde tegengehouden worden door andere materie terwijl de zwaartekrachtgolven die ze veroorzaken overal doorheen gaan.

Het verschaft wetenschappers ook een unieke inkijk in de periode net na de oerknal, want de eerste 300 000 jaar was er immers nog geen licht, maar wel zwaartekrachtgolven. De studie van de zwaartekrachtgolven kunnen dus een enorme bijdrage zijn in onze kennis van het ontstaan van het heelal.

Bovendien zijn wetenschappers al jaren op zoek om de zwaartekracht in te passen in ons bestaande model van de fysica. De nieuwe resultaten zouden ons een beter inzicht kunnen verschaffen in deze fundamentele kracht wat uiteindelijk kan leiden tot een beter model voor de natuurwetten.