Einsteins gelijk bewezen: zwaartekrachtgolven bestaan

Einstein voorspelde het al in 1915. Nu zijn ze gedetecteerd: zwaartekrachtgolven. Een doorbraak, die veel meer kennis van het heelal kan opleveren.

Zwaartekrachtgolven bestaan. Einstein voorspelde ze in 1915 en de Amerikaanse zwaartekrachtgolvendetector LIGO heeft ze 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 donderdag eindelijk over praten. Al sinds september gingen er hardnekkige geruchten rond over de bevestiging van Einsteins voorspelling.

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.

65 zonsmassa’s

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, het 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 Gijs Nelemans, als Nijmeegs astrofysicus betrokken bij de ontdekking.

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 onderzoeksinstituut Nikhef. Hij is betrokken bij de samenwerking tussen de Amerikaanse detector LIGO en de Europese tegenhanger VIRGO.

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.

Embryo van heelal

Tegelijkertijd kunnen de bestaande detectoren gaan functioneren als een soort telescopen op basis van zwaartekrachtdetectie. Astronomen nemen het heelal nu waar met elektromagnetische straling (zoals licht en radiogolven). Zwaartekrachtgolven kunnen gegevens leveren over exploderende sterren (supernova’s) en zwarte gaten. Stiekem hopen de sterrenkundigen op nog veel exotischer verschijnselen. Bijvoorbeeld meting van zwaartekrachtgolven een fractie van een seconde na de oerknal. Je ziet dan als het ware het heelal als embryo.

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

Einsteins Algemene Relativiteitstheorie uit 1915 verklaart zwaartekracht (zie kader) als de vervorming van ruimte en tijd zelf, kortweg de ruimtetijd. Appels die vallen 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.

Zwaartekrachtgolven hebben zo weinig invloed op andere materie dat de passerende zwaartekrachtgolf van een enorme zwartegatenbotsing een object met een factor van 1 op duizend miljard miljard vervormt. „Dat is de dikte van een haar op de afstand tussen de aarde en de dichtstbijzijnde ster”, zegt Van den Brand.

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 de 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.

Om die reden zijn er van LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in de Verenigde Staten twee identieke zwaartekrachtgolfdetectoren 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 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 Nelemans.

Het signaal was de karakteristieke chirp, een steeds sneller toenemende frequentie die typisch is voor botsende zwarte gaten. Na aanvankelijk ongeloof volgden 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.