R.Hurt/Caltech-JPL

Wat zijn zwaartekrachtgolven en wat is hun belang?

Wetenschappers hebben nu een aantal keer zwaartekrachtgolven direct waargenomen, wat tot opwinding onder natuurkundigen heeft geleid, en grote kans heeft om een Nobelprijs op te leveren. Maar wat zijn die zwaartekrachtgolven, waarom zijn ze belangrijk en hoe kunnen we ze waarnemen?

Zwaartekrachtgolven of gravitatiegolven zijn "fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd, die zich van de bron af voortbewegen als golven. Ze vervoeren energie als zwaartekrachtstraling".

Het zijn met andere woorden rimpels in het weefsel van de ruimtetijd, die zich met de snelheid van het licht voortbewegen en die energie afvoeren. Als je je hand beweegt door stilstaand water, zie je rimpels ontstaan die de beweging volgen en zich naar buiten bewegen door het water. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein gebeurt hetzelfde als zware objecten door de ruimtetijd bewegen.

De ruimtetijd is immers geen leegte, maar een vierdimensionaal "weefsel", waaraan getrokken of geduwd kan worden als objecten zich erdoorheen bewegen. Die vervormingen zijn de oorzaak van zwaartekrachtgolven.

Een manier om dit visueel voor te stellen is een opgespannen rubberen vel te nemen, en er een zwaar voorwerp op te leggen. Dat object zal maken dat het vel eromheen doorbuigt. Als je vervolgens een kleiner object in de buurt van het eerste legt, zal het naar het grotere object toe vallen. Een ster oefent op dezelfde manier aantrekkingskracht uit op planeten en andere hemellichamen.

Hoewel de analogie met het rubberen vel geen exacte voorstelling is van hoe ruimtetijd werkt, toont ze wel aan dat wat wij vaak beschouwen als een leegte, in werkelijkheid een dynamische substantie is. Elk versnellend of vertragend voorwerp moet rimpels  creëren in die substantie. Kleine golven zullen echter vrij snel vervagen en verdwijnen, zodat alleen enorm massieve voorwerpen, zoals neutronensterren en zwarte gaten, zwaartekrachtgolven zullen creëren die zich helemaal tot bij de aarde kunnen verspreiden.

© ZOONAR GMBH LBRF - creative.belgaimage.be

Ook de aarde vervormt de ruimtetijd. Illustratie bovenaan: twee neutronensterren, zeer zware objecten, veroorzaken zwaartekrachtgolven.

De zwaartekracht visueel voorgesteld

"Fossiele" zwaartekrachtgolven

Naast zwaartekrachtgolven die nu de aarde bereiken, zijn er waarschijnlijk ook "fossiele" zwaartekrachtgolven. In maart 2014 maakte het Amerikaanse BICEP2-team bekend dat het zwaartekrachtgolven had ontdekt in de kosmische achtergrondstraling, de zwakke straling die een restant is van het eerste licht na de oerknal, het ontstaan van het universum.

Het ligt voor de hand dat een gigantische gebeurtenis als de oerknal zwaartekrachtgolven veroorzaakt zou hebben, en onderzoekers gaan ervan uit dat die hun sporen hebben nagelaten in de kosmische achtergrondstraling als bepaalde krullen in de polarisatie van het licht, die B-modes genoemd worden.

Het BICEP2-team maakte dus bekend dat het die B-modes gevonden had met een zeer gevoelige telescoop op de Zuidpool (foto hieronder), maar een jaar later werd dat bewijs naar de prullenmand verwezen. De krullen die men gevonden had in de polarisatie van het licht, waren het gevolg van kosmisch stof in onze Melkweg.

Dat neemt echter niet weg dat men er nog steeds van uitgaat dat de big bang wel degelijk zwaartekrachtgolven veroorzaakt heeft, en verschillende wetenschappelijke teams zijn nog steeds op zoek naar de sporen daarvan.

BICEP2 Colaboration/NSF/Steffen Richter (Harvard)

Zwaartegolven

Naast zwaartekrachtgolven (gravitational waves in het Engels) bestaan er ook zwaartegolven (gravity waves). Het enige dat die twee evenwel met elkaar gemeen hebben, is het feit dat ze iets met de zwaartekracht te maken hebben.

Zwaartegolven komen enkel voor in de atmosfeer van planeten en in watermassa's. In de atmosfeer komen ze bijvoorbeeld voor als lucht over de zee wordt geblazen, en dan een eiland tegenkomt. De lucht wordt verplicht op te stijgen, en zodra hij het eiland gepasseerd is, door de zwaartekracht opnieuw naar beneden getrokken. Opwaartse druk in de lucht drijft de lucht echter opnieuw naar boven en het resultaat is vaak een gebied waarin een reeks golven elkaar opvolgen. In de toppen van de golven komen dan vaak wolken voor.

In het geval van oceanen, ontstaan zwaartegolven aan het oppervlak (foto onder: zwaartegolven in de Arabische Zee). De wind blaast het oppervlak uit evenwicht, de zwaartekracht trekt het water naar beneden, maar opwaartse druk verzet zich daartegen. Dergelijke door de wind veroorzaakte golven, getijden en tsunami's zijn voorbeelden van zwaartegolven.

NASA/GSFC

Wat is het belang?

De ontdekking van zwaartekrachtgolven kan ons een geheel nieuwe manier bieden om het universum te bestuderen.

Als een ster explodeert als een supernova, voeren zwaartekrachtgolven energie af met de snelheid van het licht, en als twee zwarte gaten op elkaar botsen, veroorzaakt ook dat zwaartekrachtgolven. Twee neutronensterren - bijzonder zware sterren - die rond elkaar draaien, verstoren eveneens de ruimtetijd en veroorzaken zwaartekrachtgolven, maar het lijdt geen twijfel dat al die fenomenen een ander soort golven zullen veroorzaken.

De directe waarneming van zwaartekrachtgolven kan een nieuw tijdperk inluiden van zwaartekrachtgolf-astronomie, waarbij we een verschil kunnen maken tussen verschillende soorten zwaartekrachtgolven en kunnen vaststellen welk fenomeen er aan de basis ligt van de golven.

Zo kan een plotselinge opstoot van zwaartekrachtgolven erop wijzen dat ze afkomstig zijn van een supernova-explosie, terwijl een constant oscillerend signaal kan wijzen op twee zwarte gaten die rond elkaar cirkelen vooraleer ze samensmelten.

Bovendien kijken we nu vooral naar het heelal met licht, maar dat geraakt niet overal door en zwaartekrachtgolven wel. Bovendien was er de eerste 300.000 jaar na de big bang geen licht dat we nu nog kunnen waarnemen, maar er waren wel zwaartekrachtgolven.

Die "fossiele" zwaartekrachtgolven die na de big bang ontstaan zijn, zouden nieuwe inzichten kunnen geven in hoe het universum ontstaan is.

En ten slotte zouden zwaartekrachtgolven natuurkundigen kunnen helpen de fundamentele wetten van het universum beter te begrijpen. Zwaartekrachtgolven zijn immers een cruciaal onderdeel van de algemene relativiteitstheorie van Einstein, en nu we ze gevonden hebben, bevestigen ze nog maar eens de theorie. Maar ze kunnen ons ook helpen te ontdekken waar de theorie in de fout gaat. En dat kan leiden tot een nauwkeuriger, allesomvattend model in de fysica, en mogelijk tot een "theorie van alles", waarin de zwaartekracht geïntegreerd is in het klassieke model van de fysica.

NASA/CXC/SAO/R.Margutti et al.

Supernova SN2014J in het sterrenstelsel Messier 82.

Hoe ze te ontdekken?

Zoals gezegd werden zwaartekrachtgolven in 1916 voorspeld door Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie, maar waren ze tot voor kort nog nooit direct waargenomen.

Wel waren er al sterke indirecte aanwijzingen voor hun bestaan. Ze werden voor het eerst indirect waargenomen door Russel Hulse en Joseph Taylor in 1974. Die astronomen ontdekten met een radiotelescoop twee neutronensterren - die nu de Hulse-Taylor binaire pulsar heten - die op een korte afstand om elkaar draaiden. Een van de sterren was een pulsar - een ster die regelmatige, snelle radiogolven uitzendt -, wat hen toeliet die ster als een soort klok te gebruiken en zo de baan van de twee sterren zeer nauwkeurig te meten.

Uit die metingen bleek dat de twee sterren langzaam dichter naar elkaar toe gingen, wat overeenstemt met de voorspellingen van Einstein. Door het uitstoten van zwaartekrachtgolven lekt er immers energie weg, en dat maakt dat de baan van de sterren krimpt.

Sindsdien is het zelfde fenomeen nog bij andere stelsels vastgesteld, zelfs bij extreme stelsels waarvan de onderzoekers eerst dachten dat de relativiteitstheorie er misschien zou tekortschieten. En sindsdien waren wetenschappers ook verwoed op zoek naar directe bewijzen voor zwaartekrachtgolven.

ESO/L.Calçada

Een voorstelling van het binair stelsel PSR JO348+0432, bestaande uit een pulsar, een zware neutronenster die 25 keer per seconde om haar as draait, en een witte dwerg die in 2,5 uur om de neutronenster draait. Het stelsel stuurt radiogolven uit en ook zwaartekrachtgolven.  

LIGO

Een van de experimenten waarbij naar zwaartekrachtgolven gezocht wordt, is LIGO, het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en daar zijn ze ook voor het eerst waargenomen.

Dat Amerikaanse experiment maakt gebruik van de manier waarop de golven de ruimtetijd beïnvloeden om ze op te sporen. Als een zwaartekrachtgolf voorbijtrekt, rekt ze immers de ruimtetijd uit in een richting, en doet ze de ruimtetijd inkrimpen in een andere richting.

LIGO probeert die minieme veranderingen op te sporen met een instrument dat een interferometer heet. Dat instrument splitst een enkele laserstraal in tweeën en stuurt de twee stralen vervolgens door een vier kilometer lange vacuümbuis, waar ze op het einde worden teruggekaatst door spiegels. Als de stralen dezelfde afstand afleggen, moeten de golven waaruit ze bestaan nog steeds op één lijn liggen als ze terugkomen. Een voorbijtrekkende zwaartekrachtgolf kan echter de lengte van elke arm van het experiment veranderen, zodat een straal een andere afstand zal afleggen dan de andere. Als de stralen terugkeren, zijn de onderzoekers in staat om dat verschil te ontdekken.

De zwaartekrachtgolven oefenen slechts een minieme invloed uit op de lengte van de armen van de interferometer: zowat een tienduizendste van de breedte van een atoomkern. Om een dergelijk piepklein verschil te kunnen ontdekken, moet LIGO alle invloeden van buitenaf, zoals aardbevingen of verkeer, uitsluiten. Om dat te bereiken zijn er twee vestigingen van LIGO in de VS, die meer dan 3.000 kilometer uit elkaar liggen. Als het echt om de invloed van een zwaartekrachtgolf gaat, zal die opgemerkt worden in de twee locaties, als het om een valse melding gaat, veroorzaakt door een voorbijrijdende vrachtwagen bijvoorbeeld, zal die slechts in een station vastgesteld worden.

LIGO is met het experiment gestart in 2002 en had tot nu nog geen zwaartekrachtgolven kunnen detecteren. Recent heeft LIGO evenwel een upgrade gekregen tot Advanced-LIGO en die heeft duidelijk vruchten afgeworpen. Na de update werd de zwaartekrachtgolf al na 16 dagen waargenomen.

De vier kilometer lange buizen van LIGO in Hansford in de staat Washington.

LISA

Advanced-LIGO zal concurrentie krijgen van LISA, de Laser Interferometer Space Antenna, een gezamenlijk project van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en haar Amerikaanse evenknie NASA.

LISA zal als een gigantische LIGO in de ruimte functioneren, en zal dit jaar voor het eerst getest worden. De LISA Pathfinder die in december gelanceerd werd, zal enkele maanden in de ruimte blijven om de technologie te testen die eventueel in latere LISA-missies gebruikt zal worden.

NASA

Een voorstelling van LISA in de ruimte met de aarde en de maan, en een bron van zwaartekrachtgolven op de achtergrond.

Virgo

Dezelfde laser-technologie wordt ook gebruikt in de Virgo-detector van het European Gravitational Observatory bij Cascina in Italië. Ook daar worden lasers in buizen, in dit geval van drie kilometer lang, gestuurd, buizen die haaks staan op elkaar.

Virgo, genoemd naar de cluster van 1.500 sterrenstelsels in het sterrenbeeld Virgo (Maagd) die op zo'n 50 miljoen lichtjaar van ons ligt, het bereik van de eerste versie van de detector, was in gebruik sinds 2007 en heeft geen zwaartekrachtgolven kunnen ontdekken. In 2011 werd de installatie stilgelegd en werd begonnen met de opbouw van een "verbeterde" Virgo, die tien keer gevoeliger moest worden. Intussen is die na vertragingen afgewerkt, en in augustus opnieuw in gebruik genomen.

De Advanced Virgo was nog maar zo'n veertien dagen opnieuw begonnen met de eerste wetenschappelijke waarnemingen en toen werd voor het eerst voor Virgo, en voor de vierde keer in totaal, een zwaartekrachtgolf opgemerkt.

Virgo

Andere experimenten

Lasers zijn niet de enige manier om zwaartekrachtgolven na te jagen. Zo zoekt NANOGrav, het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves naar zwaartekrachtgolven door de uitbarstingen van radiogolven te bekijken die door pulsars worden uitgestoten. Die radiogolven volgen normaal een zeer strikte timing, en als ze dus te laat of te vroeg aankomen, kan dat veroorzaakt worden doordat ze een zwaartekrachtgolf zijn tegengekomen tijdens hun reis naar de aarde.

In Nederland wordt aan de Universiteit van Leiden dan weer gewerkt aan de MiniGrail. Dat is een uiterst gevoelige bolvormige antenne die in staat moet zijn om trillingen met een afwijking van 10 tot de min 20e meter te detecteren.