Het is echt waar: zwaartekrachtgolven bestaan

Natuurkundigen zijn opgetogen: ze hebben eindelijk zwaartekrachtgolven ontdekt. Dat zijn minieme rimpelingen in de ruimtetijd. Ontstaan doordat op anderhalf miljard lichtjaar twee zwarte gaten met elkaar in botsing kwamen.

Een van de observatoria waarmee de zwaartekrachtgolven zijn ontdekt. Foto LIGO

Zwaartekrachtgolven bestaan. Einstein voorspelde ze in 1915 en de Amerikaanse zwaartekrachtgolvendetector LIGO heeft ze nu eindelijk, honderd jaar later, gedetecteerd. Dat hebben LIGO-onderzoekers en hun Europese collega’s donderdagmiddag bekend gemaakt.

Tegelijkertijd is de grote wetenschappelijke doorbraak gepubliceerd in een reeks artikelen in het vakblad Physical Review Letters. Op een persconferentie konden LIGO-onderzoekers er donderdagmiddag eindelijk over praten. Al sinds september gingen er hardnekkige geruchten rond over de bevestiging van Einsteins voorspelling.

In dit filmpje wordt uitgelegd wat zwaartekrachtegolven zijn en hoe ze ontdekt zijn

De gedetecteerde zwaartekrachtgolven zijn afkomstig van twee elkaar verzwelgende zwarte gaten op 1,5 miljard lichtjaar afstand, ver buiten ons eigen sterrenstelsel, ergens aan de hemel boven het zuidelijk halfrond.

Het ene zwarte gat (een concentratie van massa met zo’n sterke zwaartekracht dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen) had een massa van 30 maal de massa van onze zon, de andere woog 35 zonsmassa’s. In hun laatste seconde draaiden de twee giganten, ter grootte van het land Luxemburg, 75 keer per seconde om elkaar heen, tot ze elkaar opslokten en samen één zwart gat werden van 62 zonsmassa’s. De resterende drie zonsmassa’s zijn omgezet in pure zwaartekrachtgolvenenergie. “Op de piek produceerde de botsing meer energie dan alle sterren in het heelal samen”, zegt Nelemans, als astrofysicus betrokken bij de ontdekking en verbonden aan de Radboud Universiteit in Nijmegen.

Wat daarvan op aarde langskwam en toevallig werd opgepikt door de LIGO-detectoren  „was een  heel helder signaal, veel helderder dan we hadden verwacht”, zegt Jo van den Brand, hoogleraar natuurkunde aan het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef. Hij is betrokken bij de samenwerking tussen de Amerikaanse detector LIGO en de Europese tegenhanger VIRGO (in Cascina bij Pisa, Italië).

MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

Model voor het ontstaan van complexe zwaartekrachtgolven. MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

Relativiteitstheorie

De detectie van zwaartekrachtgolven bevestigt niet alleen de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het is nu ook mogelijk om te kijken of hij in alle details klopt. „De algemene relativiteitstheorie lijkt goed te kloppen, maar dat is tot nu toe alleen getest in relatief gewone omstandigheden zoals in ons zonnestelsel”, zegt Van den Brand van Nikhef.

Tegelijkertijd kunnen er telescopen op basis van zwaartekrachtdetectie worden gebouwd. Astronomen nemen het heelal nu waar met elektromagnetische straling (zoals licht). Zwaartekrachtgolven kunnen gegevens leveren over exploderende sterren (supernova’s) en zwarte gaten. Stiekem hopen de sterrenkundigen op nog exotischer verschijnselen.

Sinds de jaren zestig is er steeds intensiever naar zwaartekrachtgolven gespeurd. Uiteindelijk zijn er miljoenen dollars geïnvesteerd en hebben duizenden mensen er aan gewerkt.

Zwaartekracht is de aantrekkende kracht tussen massa’s die appels uit bomen doet vallen en die de aarde haar baantjes om de zon doet draaien. Het is één van de vier fundamentele natuurkrachten, en de enige die we dagelijks direct en voortdurend aan den lijve ondervinden. Toch is voor natuurkundigen zwaartekracht van alle natuurkrachten in zekere zin de zwakste, de minst begrepene en de slechtst onderzochte.
Als ergens massa’s bewegen, worden die veranderingen doorgeven als zwaartekrachtgolven. Net zoals elektromagnetische straling (licht en radiogolven) energie en de verandering van lading overdraagt.

Vallende appel

In principe is er bij een vallende appel ook een zwaartekrachtgolf te verwachten, maar die is ondetecteerbaar klein. Vandaar dat voor de detectie in de ruimte wordt gekeken. En dan nog is het een heksentoer. De passerende zwaartekrachtgolf van de zwartegatenbotsing vervormt een object met een factor van 1 op duizend miljard miljard. “Dat is de dikte van een haar op de afstand tussen de aarde en de dichtstbijzijnde ster”, zegt Van den Brand.
Einsteins Algemene Relativiteitstheorie uit 1915 verklaart zwaartekracht als de vervorming van ruimte en tijd zelf, kortweg de ruimtetijd. Vallende appels en planeten in banen om hun ster zijn het directe gevolg van deze kromming. Populair gezegd: planeten denken dat ze rechtuit gaan, maar de ruimte is krom, dus gaan ze de bocht om.

Voor de detectors van LIGO, stelsels van infrarode laserbundels die heen en weer kaatsen tegen vrij opgehangen spiegels (zie graphic), komt dat neer op het meten van een absurd kleine beweging van een attometer, een duizendste van de dikte van een atoomkern. Daarmee is zwaartekrachtgolvendetectie een gevecht tegen de ruis. „Iedere aardbeving ter wereld detecteren wij”, zegt Jo van den Brand. Zelfs remmende auto’s en de branding bij de kust verderop worden opgepikt.

Iets geks gezien

Om die reden zijn er van  LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in de Verenigde Staten twee identieke zwaartekrachtgolvendetectors gebouwd. Als die allebei tegelijkertijd het karakteristieke patroon zien van twee botsende zwarte gaten, is het een stuk onwaarschijnlijker dat het om toeval gaat. Advanced LIGO, de gevoeliger upgrade van de detector, zou oorspronkelijk op 18 september 2015 beginnen aan zijn eerste officiële meetperiode, maar al op 14 september gebeurde er iets vreemds. “De detectoren waren al een paar dagen actief, toen ze iets geks zagen”, zegt Gijs Nelemans.

De beslissende meetresultaten van de twee LIGO-observatoren, donderdag gepubiceerd in Physical Review Letters.

De beslissende meetresultaten van de twee LIGO-observatoren, donderdag gepubiceerd in Physical Review Letters.

Het signaal was de karakteristieke chirp, een steeds sneller toenemende frequentie die typisch is voor botsende zwarte gaten. Na aanvankelijk ongeloof volgde eindeloze analyses en controles. “Dat gaat vrij ver, we checken ook of er vrachtauto’s langs zijn gekomen en of er niemand heeft ingelogd”, zegt Nelemans. Terwijl de geruchten rondzoemden en journalisten belden, rondden de onderzoekers hun analyses af. Eindconclusie: het signaal is toch écht echt.

Een glimpje van een zwaartekrachtgolf betrappen is niet makkelijk. Er is veel ruis. Daarom zijn er twee detectoren. Als die allebei (ongeveer) tegelijkertijd het karakteristieke patroon zien van twee botsende zwarte gaten, is een detectie zekerder.  Uit het tijdsverschil is bovendien iets af te leiden over de richting waaruit de golven afkomstig zijn. „Dit is wat mij betreft groter dan de ontdekking van het Higgs-boson”, zegt Leor Barack, een specialist in zwarte gaten aan de universiteit van Southampton, die niet aan LIGO verbonden is, „We wisten dat dat moest bestaan, maar nu is het net alsof je ook een compleet nieuw zintuig hebt. Het universum zal er heel anders uitzien in zwaartekrachtsgolven. Altijd als we een nieuw venster op het heelal openen, zien we ook weer totaal onverwachte verschijnselen.”

Naast inspirals, zwarte gaten die steeds sneller om elkaar heen tollen en uiteindelijk samensmelten, leveren ook botsende neutronensterren (extreem dichte restanten van geëxplodeerde sterren) krachtige signalen op, net als koppels van een neutronenster en een zwart gat.