Voor een van de eerste blogjes van dit jaar stort ik me al meteen op een ‘zwaar’ onderwerp: zwaartekrachtsgolven. Eerder deze week heb ik daarover een bijzonder boeiende lezing bijgewoond van Steven Bloemen van de Radboud Universiteit in Nijmegen (voorheen verbonden aan de K.U. Leuven). Bloemen is een van de vele co-auteurs van het beroemde Physical Review Letters-artikel waarmee in februari vorig jaar de allereerste waarneming van zwaartekrachtsgolven werd gepubliceerd.*
Sinds de algemene relativiteitstheorie van Einstein uit 1915 wisten we al dat er zoiets als zwaartekrachtsgolven moest bestaan, maar dat ze nu ook voor het eerst effectief waargenomen konden worden, mag zonder blozen dé wetenschappelijke revelatie van het jaar genoemd worden. Het artikel werd gepubliceerd in februari 2016, maar de waarnemingen zelf werden al in september 2015 gedaan, bijna exact 100 jaar nadat Einstein met zijn algemene relativiteit op de proppen kwam. Mooi meegenomen, toch?
Dat het zo lang geduurd heeft, heeft te maken met het feit dat het waarnemen van gravitatiegolven spitstechnologie van de bovenste plank vereist. Pas nu zijn we in staat om de extreem nauwkeurige detectoren te bouwen, die het uiterst zwakke effect kunnen waarnemen.
Maar wat zijn zwaartekrachtsgolven nu precies? Het zijn letterlijk rimpelingen in de ruimtetijd. Ze ontstaan in principe telkens wanneer een object zich in de ruimte beweegt, maar in het gros van de gevallen zal dat geen enkel meetbaar effect opleveren. Dat wordt pas het geval wanneer erg zware massa’s zich heel snel door de ruimte bewegen. Zoals we uit de relativiteitstheorie weten, veroorzaakt elke massa een plaatselijke kromming van de ruimtetijd, net zoals een zware bowlingbal een ‘put’ maakt in het oppervlak van een trampoline. Die kromming is des te groter, naarmate de massa zwaarder is. Zo veroorzaakt de Aarde een bepaalde kromming, en de zon (die veel zwaarder is) een veel grotere kromming. Het is overigens die kromming, die ervoor zorgt dat de planeten in een baan om de zon blijven draaien (en manen of satellieten om de planeten). We kunnen die kromming of verstoring niet zien, maar we ervaren ze als zwaartekracht.
Een zwaartekrachtsgolf is nu zo’n verstoring van de ruimtetijd, die zich met de lichtsnelheid doorheen het universum voortplant. Overal waar zo’n zwaartekrachtsgolf voorbijkomt, worden afstanden tijdelijk wat korter en daarna weer langer. Alles wat door zo’n zwaartekrachtsgolf getroffen wordt, wordt dus als het ware eerst een beetje samengeperst en daarna weer uitgerokken. Maar het effect is bijzonder klein – de lengteverandering die de detector moet kunnen waarnemen, is kleiner dan de diameter van een proton! – en dus erg moeilijk te meten. Jij en ik zullen er bijgevolg niets van merken.
Voor het detecteren is bijzonder gesofisticeerde apparatuur nodig. De detectoren waarmee de ontdekking gedaan werd, zijn twee instrumenten van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten. Ze werken met 4-kilometer lange tunnels waar laserstralen doorheen gestuurd worden. Ik bespaar je de details, maar het hoeft geen betoog dat het meten van zo’n kleine verandering een bijzonder grote technologische uitdaging is. Er zijn bovendien heel wat mogelijke storingsbronnen, die een effect op de metingen kunnen hebben. Denk maar aan aardbevingen (zelfs aan de andere kant van de Aarde), de beweging van de oceanen langs de kusten en menselijke activiteit, zoals voorbijrijdende voertuigen. Voor al die storingen wordt zo veel mogelijk gecompenseerd, en de ontdekking werd uiteindelijk bevestigd door de resultaten van twee aparte LIGO-detectoren op enkele duizenden kilometers afstand van elkaar (eentje in Livingston, Louisiana en eentje in Hanford, Washington) met elkaar te vergelijken. Enkel bij signalen die door beide detectoren worden waargenomen, kan men plaatselijke stoorzenders uitsluiten.
Interessant wordt het, wanneer twee erg zware objecten op heel korte afstand (en bijgevolg erg snel) om elkaar heen draaien, bijvoorbeeld twee neutronensterren, of twee stellaire zwarte gaten, of een neutronenster en een zwart gat. Doordat ze zwaar zijn en snel bewegen, zenden ze meetbare zwaartekrachtsgolven uit. Die kun je vergelijken met de golven op het oppervlak van een vijver, wanneer je er een steen in gooit (maar dan in drie dimensies in plaats van in twee). Door het uitzenden van die golven verliezen de objecten overigens energie, waardoor ze elkaar steeds dichter naderen en uiteindelijk met elkaar zullen versmelten. Zo’n cataclysmische gebeurtenis veroorzaakt dan weer een gigantische verstoring van de ruimtetijd, waarbij gedurende korte tijd erg sterke zwaartekrachtsgolven uitgestuurd worden. Na de versmelting doven de golven snel uit.
Dát hebben de onderzoekers in september 2015 gemeten: een signaal dat afkomstig is van de laatste momenten in het leven van twee om elkaar heen draaiende zwarte gaten, tot vlak na het moment dat ze met elkaar versmelten.
Ondertussen zijn er nog meer signalen gemeten en worden in Europa en in Azië nieuwe detectoren gebouwd. In de (niet zo verre) toekomst zullen betere detectoren meer en zwakkere signalen kunnen ontvangen. Over afzienbare tijd wil men ook detectoren in de ruimte bouwen. Die hebben het grote voordeel dat ze geen last hebben van lokale aardse storingsbronnen, en de ‘armen’ van de detector kunnen, in plaats van 4 km, wel een miljoen km of langer zijn (door de laserstralen tussen verschillende satellieten heen en weer te sturen). Dat moet tot veel meer en veel nauwkeuriger waarnemingen leiden.
Hiermee wordt een totaal nieuw venster op het universum geopend. Tot nu toe verkregen astronomen en kosmologen hun informatie nagenoeg uitsluitend uit het verzamelen van licht (fotonen) door middel van telescopen. Licht moet hier ruimer geïnterpreteerd worden dan het zichtbare licht dat mensen kunnen waarnemen. De kleuren in het zichtbare licht komen overeen met verschillende frequenties van de lichtgolven. Daarnaast bestaat er ook licht met hogere en lagere frequenties, die we niet met onze ogen kunnen zien, maar die we wel met onze instrumenten kunnen opvangen. Zo is er infrarood licht en ultraviolet licht, maar ook radiogolven, gammastraling en microgolven zijn vormen van licht.
Zwaartekrachtsgolven zijn van een heel andere orde. Ook zwaartekrachtsgolven komen, net als lichtgolven, in een spectrum van verschillende frequenties. Hiermee kunnen we informatie verkrijgen over objecten in het heelal die we met licht niet kunnen zien. Licht wordt immers tegengehouden door bijvoorbeeld stofwolken, maar zwaartekrachtsgolven gaan overal doorheen, ze laten zich door niets of niemand stoppen. We staan dus aan het begin van een geheel nieuw tijdperk in de wetenschap. Astronomen zullen dankzij waarnemingen van zwaartekrachtsgolven ongetwijfeld tal van nieuwe dingen over het universum kunnen leren. Net als een blinde die voor het eerst in zijn leven kan zien!
Allemaal goed en wel, leuk voor die astronomen, maar heeft dat ook enig praktisch nut voor de samenleving, vraag je je misschien af. Dat zal nog moeten blijken, maar de kans is bijzonder groot, als je ’t mij vraagt. Ook bij de relativiteitstheorie stelden mensen zich indertijd die vraag. De meeste mensen zullen het wellicht niet beseffen, maar het is bijvoorbeeld dankzij onze kennis van de relativiteitstheorie dat de gps in je wagen of in je smartphone werkt. Aan het aardoppervlak is de ruimtetijd namelijk sterker gekromd dan in de hoge baan waarin de gps-satellieten om onze planeet draaien. Daardoor – en door de grote snelheid, waarmee ze bewegen – moeten hun klokken gecorrigeerd worden, en dat kun je alleen maar op de juiste manier doen als je de formules van de relativiteitstheorie toepast. Stel dat we geen kennis zouden hebben van relativiteit, dan zouden onze gps’en al na korte tijd afwijkingen van tientallen of honderden meters vertonen en dus compleet onbruikbaar zijn!
Wie weet tot welke technologische doorbraken zwaartekrachtsgolven zullen leiden? De spitstechnologie die momenteel ontwikkeld wordt voor een betere detectie ervan, zal vermoedelijk al snel interessante spin-offs voortbrengen.
Ik heb het al vaker gezegd, en ik blijf het herhalen: wat leven we toch in boeiende tijden!
* B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten