De discobol die Einstein alwéér gelijk geeft

Natuurkunde De satelliet LARES, een discobol van wolfraam die sinds 2012 baantjes om de aarde trekt, bevestigt een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie met recordprecisie. Maar de Italiaanse onderzoekers lijken er niet erg mee te willen scoren.

Je kunt niet zeggen dat LARES (Laser Relativity Satellite) met veel fanfare werd gelanceerd, op 13 februari 2012. Ja, er was volop aandacht voor de nieuwe Vega-raket van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, die zijn eerste vlucht maakte. Maar de lading, een 386,8 kilo wegende bol van wolfraamlegering, bedoeld om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen, werd daarbij amper genoemd. Misschien omdat de Italiaanse onderzoekers het enkeltje ruimte, aan boord van een nog onbeproefde raket, gratis hadden gekregen.

Inmiddels trekt LARES alweer zeven jaar zijn baantjes om de aarde, op 1.444 kilometer hoogte, nauwkeurig gadegeslagen vanaf het aardoppervlak. Grondstations bestoken de verder passieve satelliet met laserpulsen, die recht terugkaatsen in de 92 retroreflectoren die LARES het uiterlijk geven van een hightech-discobol.

Zo is zijn positie aan de hemel precies vast te stellen. Uit de tijd die de laserpuls erover doet om terug te kaatsen, valt op te maken hoe ver weg LARES staat.

Op die manier heeft LARES inmiddels genoeg meetgegevens opgeleverd om zijn levensdoel te vervullen. „Ons hoofddoel was het testen van de algemene relativiteitstheorie”, zegt Davide Lucchesi, natuurkundige aan het natuurkunde-instituut INFN in Rome, en eerste auteur van een uitgebreid artikel waarin zes jaar meetgegevens worden gedestilleerd tot één precieze meting van een tot nog toe niet precies gemeten effect.

Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft hoe de ruimte en de tijd kromtrekken onder invloed van massa’s zoals de aarde. Die ruimtetijdkromming veroorzaakt de aantrekkingskracht die wij kennen als de zwaartekracht die Isaac Newton al beschreef. Maar Einsteins ruimtetijd-meetkunde voorspelt ook een aantal verschijnselen die daarvan afwijken, zoals zwarte gaten en zwaartekrachtsgolven.

Frame dragging is één van de laatste voorspellingen die nog toe niet precies gemeten waren. Volgens Einsteins formules sleuren draaiende massa’s zoals de aarde de ruimtetijd in hun omgeving met zich mee, zoals stroop in een pot mee wordt getrokken door een draaiende lepel.

Een van meetbare gevolgen is de Lense-Thirring-precessie, genoemd naar de natuurkundigen Josef Lense en Hans Thirring die het in 1918 voorspelden. Daardoor zal de baan van een satelliet als LARES miniem veranderen. De satelliet kruist het vlak van de evenaar bij elk baantje twee keer. Het precieze punt waar dat gebeurt, verschuift zo’n twee meter per jaar, een verschuiving die vanaf de aarde is te zien als een piepklein hoekje, zo groot als een haar op een afstand van 60 meter.

Het probleem, zegt Lucchesi, is niet zozeer die kleine hoek, maar vooral dat andere invloeden op de baan van LARES veel groter zijn. Zo is de aarde niet precies bolvormig, maar een beetje afgeplat, met bovendien allerlei bobbels en deuken, en dus plaatselijke variaties in de zwaartekracht.

Daarnaast wordt LARES langzaam weggeduwd doordat hij zonlicht reflecteert, als de satelliet niet in de schaduw van de aarde zit – de fotonen kaatsen er tegenaan, en duwen LARES van de weeromstuit weg. Verder is er nog het Jarkovski-Schach-effect: aan de zonzijde wordt LARES opgewarmd door de zon. De draaiende satelliet straalt die warmte later weer uit in de vorm van infrarode straling, wat ook een kracht oplevert, maar onder een hoek die iets verschoven is. En dan zijn er ook nog getijde-effecten, vergelijkbaar met de krachten die de aardse oceanen door de maan ondergaan.

Kortom: het Lense-Thirring-effect is een rimpeltje op een zee van andere, ‘klassieke’ effecten. In het artikel worden al deze storende effecten laagje voor laagje afgepeld van de metingen. Wat overblijft is een uiterst kleine verschuiving van 49,966 milliboogseconden per jaar: het verschil met de voorspelde waarde van het Lense-Thirring-effect is 0,6 procent.

Dat Einsteins voorspelling uitkomt, is mooi, zegt Lucchesi, maar het gaat niet alleen om het produceren van meetresultaten die kloppen met de voorspellingen. Naast Einsteins versie zijn er diverse varianten van de theorie. De speelruimte voor zulke alternatieve zwaartekrachtstheorieën is met de LARES-resultaten weer een flink stuk kleiner geworden.

„Dit zijn mensen met een goede reputatie”, zegt astrofysicus Michiel van der Klis van de Universiteit van Amsterdam. „Als je naar het artikel kijkt zie je dat ze enorm precies allerlei correcties uitvoeren om te kijken wat voor effect er dan overblijft. Dit is de beste meting met satellietbanen die tot nu toe gedaan is.”

Zwarte gaten

Van der Klis is één van de weinige wetenschappers die de Lense-Thirring-precessie al eens tegen het lijf liepen, maar dan in een extremere versie. Zijn onderzoeksgroep onderzoekt QPO’s (quasi-periodic oscillation), onregelmatig knipperende stralingsbronnen in het heelal.

Zwarte gaten, massaconcentraties die zo sterk zijn dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen, worden vaak omringd door een schijf van heet gas en stof, de accretieschijf, die rondtollend en kolkend het zwarte gat in wordt gezogen. Door de wrijving wordt het razendsnel kolkende gas gloeiend heet en delen ervan worden aan de polen van het zwarte gat weer naar buiten geslingerd, wat leidt tot dunne bundels van plasma en straling die jets worden genoemd. Als die jets regelmatig over de aarde strijken, zoals de lichtbundels van een vuurtoren, zijn ze te zien als regelmatig knipperende stralingsbronnen.

Maar sommige zwarte gaten variëren juist in hun knipperfrequentie. In 2016 en 2017 lieten Van der Klis en collega’s met beelden van de röntgen-ruimtetelescopen XMM-Newton en Nustra zien dat zulke onregelmatigheden veroorzaakt kunnen door het Lense-Thirring-effect.

De ruimtetijd wordt meegesleurd in de buurt van het zwarte gat, en daardoor doet een deel van de accretieschijf dat ook. „Een beetje zoals als een muntje dat op tafel rolt vlak voordat het tot rust komt”, legt Van der Klis uit. De schijf wordt meegenomen door de ruimtetijd, en die tollende beweging doet denken aan het tollen van een muntje vlak voordat het tot rust komt. Die beweging heet precessie. In een computersimulatie van zijn promovendus Matthew Liska is te zien hoe de jet meetolt met die precessie, wat in ieder geval in een deel van de gevallen het onregelmatige knipperen verklaart.

In zulke gevallen is de Lense-Thirring-precessie extreem sterk: de accretieschijf tolt rond in een paar seconden, in plaats van eens in de 25 miljoen jaar, zoals LARES. Van der Klis: „Het effect is veel sterker, maar onze meting is ook weer veel indirecter. Wij zien alleen straling vanuit een punt. Onze simulaties kloppen met wat we zien, maar het blijft een interpretatie. Met LARES weet je juist heel precies wat er beweegt, en hoe.”

Het succes van LARES staat in sterk contrast met de NASA-satelliet Gravity Probe B, die in 2004 gelanceerd werd om hetzelfde effect te meten. Aan boord waren vier perfect ronde bollen van silicium, gyroscopen die om hun as tolden, en waarvan de draai-as ook zou veranderen door frame dragging. Van der Klis: „De filosofie bij Gravity Probe B was net even anders. LARES staat bloot aan alle invloeden in de ruimte, en bij Gravity Probe B zat er een hele satelliet omheen die de bolletjes afschermt van andere invloeden.”

Toch mislukte Gravity Probe B. Tijdens het uitlezen van de meetgegevens bleek dat zich elektrische ladingen hadden opgehoopt op de bollen, die de metingen ernstig verstoorden. Met moeite wisten de onderzoekers de meetfout naar beneden te rekenen van 500 naar 19 procent, uiteindelijk een teleurstellend resultaat voor een satelliet met een aanlooptijd van 44 jaar en kosten van 750 miljoen dollar. Het maken van LARES heeft ongeveer tien miljoen euro gekost, schat Lucchesi. Maar waar Gravity Probe B met steun van het NASA-publiciteitsapparaat baadde in aandacht, is de LARES-website stil, en lijkt Lucchesi meer bezig met de puntjes op de i dan met wetenschappelijk scoren. „De meetwaarde zal niet meer veranderen, maar met een betere evaluatie kunnen we nog wat afschaven van de meetfout”, zegt hij. „Dat willen we publiceren in een tijdschrift als Classical and Quantum Gravity. Nee, geen Nature of Science, we willen echt een tijdschrift dat gewijd is aan fundamentele natuurkunde.”

Van der Klis kan wel lachen om het gebrek aan scoringsdrang: „Vind je het niet goed dan, dat er ook nog onderzoekers zijn die niet alleen aan het hypen zijn, maar gewoon bezig zijn om iets heel precies te onderzoeken, niet om beroemd te worden?”