Begin december werd Lisa/Pathfinder gelanceerd. Met dit ruimtevaartuig is de eerste stap gezet naar het meten van zwaartekrachtsgolven in de ruimte. Veilig op de grond werken wetenschappers eveneens aan experimenten om de door Einstein voorspelde golven te vinden. Maar wat moeten we ons voorstellen bij golven van zwaartekracht? En waarom zijn ze honderd jaar na Einsteins voorspelling nog steeds niet gemeten?
Wat zijn zwaartekrachtsgolven?
Het bestaan van gravitatie- of zwaartekrachtsgolven volgt uit de beroemde relativiteitstheorie van Einstein. Volgens deze theorie trekken sterren, planeten en zwarte gaten elkaar aan doordat zij de ruimte (of eigenlijk de ruimtetijd) krommen.
Dit kun je je voorstellen als de doorbuiging die ontstaat op het vel van een trampoline als je er een bowlingbal op legt. Als je vervolgens aan de rand een knikker neerlegt en hem een zetje geeft, zal hij naar de bowlingbal toe rollen. De kromming zorgt er dus voor dat de knikker geen rechte weg aflegt naar de overkant van de trampoline, maar afgebogen wordt door de massa van de bowlingbal. Leg je een voetbal op de plaats van de bowlingbal, dan zal het pad van de knikker minder afgebogen worden.
De meest accurate klok kan onze kijk op de kosmos veranderen
Met een kernklok, die er per 300 miljard jaar maar één seconde naast zit, kun je testen of natuurconstanten wel echt constant zijn.
Hoe zwaarder dus de massa, hoe groter de kromming. Dit gebeurt ook met de planeten die om de zon draaien: ze willen rechtdoor bewegen, maar de kromming veroorzaakt door de zon houdt hen gevangen. Het bijzondere van Einsteins omschrijving van zwaartekracht is dat iets massaloos zoals licht eveneens niet kan ontsnappen aan de kromming. Sterren kunnen dus licht afbuigen.
Maar wat heeft dit alles te maken met zwaartekrachtsgolven? Zwaartekrachtsgolven ontstaan volgens Einstein als een object met grote massa, zoals een ster of een zwart gat, niet met een constante snelheid door de ruimtetijd glijdt, maar versneld beweegt. Er ontstaat dan geen kalme kromming, maar een heuse trilling van de ruimte, zoals wanneer je een steentje in een vijver gooit.
Dit scenario doet zich bijvoorbeeld voor als een zware ster explodeert, een gebeurtenis die onder astronomen beter bekend staat als een supernova. Ruimterimpelingen ontstaan ook wanneer twee zware objecten, zoals neutronensterren, zwarte gaten of een gemengd huwelijk tussen beide zware jongens, om elkaar heen draaien. Hun dans veroorzaakt dan een vervorming in de ruimte die wij zwaartekrachtsgolven noemen.
Hoe kunnen we zwaartekrachtsgolven meten?
Om deze vraag te beantwoorden, moeten we eerst bedenken wat er gebeurt als een zwaartekrachtsgolf de aarde bereikt. Omdat de golf een deining is van de ruimte, wordt de ruimte zelf en alles wat zich daarin bevindt even korter in de ene richting en langer in de andere, zoals wanneer je in een stressballetje knijpt.
Maar hoe kunnen we dit meten? Stel dat je twee buizen van gelijke lengte zo neerlegt dat ze samen een ‘L’ vormen. Als er nu een zwaartekrachtsgolf langskomt, zal de ene richting (de ene poot van de ‘L’) wat langer worden en de andere wat korter. De buizen zijn dan tijdelijk niet even lang. Door continu te kijken of je buizen verschillen in lengte, kun je op die manier een vibratie in de ruimte detecteren.
Of het nu gaat om een toekomstige detector in de ruimte of over experimenten die met beide benen op de grond staan, allemaal gebruiken ze dezelfde techniek om deze lengteverschillen te meten: een zogeheten interferometer. Bij een interferometer wordt licht uit een laser door een zogeheten halfdoorlatende spiegel gestuurd. Dat is een spiegel die, zoals de naam al doet vermoeden, de helft van het licht doorlaat en de andere helft weerkaatst. De twee opgesplitste lichtbundels reizen daarna apart verder en vallen aan het eind van hun pad beide op een spiegel. Daar kaatsen ze terug en ontmoeten ze elkaar weer bij de halfdoorlatende spiegel. De intensiteit van het licht dat je meet bij terugkomst zegt iets over het lengteverschil tussen de paden. Op deze manier meet je of het pad van de ene bundel langer is dan dat van de andere.
Welke detectoren zoeken naar zwaartekrachtsgolven?
Advanced LIGO en VIRGO zijn twee interferometer-experimenten die nauw samenwerken. Advanced LIGO staat in de Verenigde Staten en heeft armen van vier kilometer lang. VIRGO bevindt zich in Italië en is iets kleiner met armen van drie kilometer. Op het moment werken onderzoekers aan advanced VIRGO, die nog gevoeliger zal zijn dan VIRGO. Dat experiment moet in de tweede helft van 2016 de eerste metingen verrichten.
Daarnaast is LISA/Pathfinder eropuit gestuurd om te kijken of het mogelijk is om de detector eLISA in een baan om de zon te brengen. ESA wil eLISA in 2034 lanceren. Deze enorme detector met armen in de orde van een miljoen kilometer, zal geen last hebben van aardse verstoringen.
Verder werkt men in Japan, in een mijn diep onder een berg, aan KAGRA, een experiment dat in 2020 begint met detecteren. Experimenten onder de grond hebben minder last van trillingen veroorzaakt door mensen. Daarom zal de Einstein Telescope, een volgende generatie zwaartekrachtsgolfdetector waar het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef aan verbonden is, zich eveneens onder de grond bevinden. Een van de mogelijke locaties voor dit instrument is een voormalige mijn in het zuiden van Limburg. Dit zou betekenen dat over ruim tien jaar een van de meest gevoelige zwaartekrachtsgolvendetectoren in Nederland staat.
Waarom zijn zwaartekrachtsgolven eigenlijk nog niet gemeten?
Het probleem met het meten van ruimtetrillingen is dat ze ongelofelijk klein zijn. De grootste golven die we kunnen verwachten, hebben een uitwijking die je kunt vergelijken met de afmeting van een waterstofatoom op een lengte van tien miljoen kilometer. Bovendien zijn er op aarde allerlei andere dingen die trillingen veroorzaken, zoals langsrijdende auto’s en treinen. Onderzoekers zijn daarom al jaren bezig om hun meetapparatuur zo nauwkeurig te maken dat die kan corrigeren voor aardse trillingen en tegelijk een minuscule ruimtevibratie kan meten. Het zoeken naar een naald in een hooiberg is er niets bij.
Gelukkig zijn er hints dat hun werk niet voor niets is. De effecten van zwaartekrachtsgolven zijn waarschijnlijk al indirect gemeten. De zwaartekrachtsgolven die koppels van neutronensterren of zwarte gaten produceren kosten namelijk energie. Hierdoor verliezen de hemellichamen snelheid en zullen ze langzaam naar elkaar toe draaien. Dit energieverlies is gemeten bij verschillende duo’s, wat impliceert dat de theorie klopt. Helaas is deze indirecte manier van meten niet genoeg om met zekerheid te kunnen zeggen dat Einstein gelijk heeft. Directe detectie van de golven blijft nodig.
Wat kunnen we met de vondst van zwaartekrachtsgolven?
Als het bestaan van zwaartekrachtsgolven en daarmee de theorie van Einstein bewezen is, hoeven de experimenten niet met pensioen. Zodra we de golven meten, kunnen ze gebruikt worden om op een nieuwe manier naar het heelal te kijken. Nu bestuderen we hemellichamen en buitenaardse activiteiten nog door het licht dat ze uitzenden op te vangen met een telescoop. Licht wordt echter gemakkelijk verstrooid en tegengehouden door stof dat zich tussen sterren bevindt. Zwaartekrachtsgolven hebben hier geen last van. Die brengen ons informatie zonder dat ze onderweg gehinderd worden. Daarnaast bevatten zwaartekrachtsgolven die ontstaan zijn tijdens de snelle uitdijing van het heelal informatie over de omstandigheden vlak na de oerknal. Er zal dus een hele nieuwe wereld aan informatie voor ons open gaan.
Mochten de vibraties van de ruimte niet gemeten worden, dan wijkt de werkelijkheid af van de relativiteitstheorie van Einstein en is er een nieuwe theorie nodig. Dat is helemaal niet zo erg, want een update van de algemene relativiteitstheorie staat sowieso hoog op het lijstje van natuurkundigen. De theorie is namelijk niet te combineren is met een andere, goede werkende theorie uit de 20e eeuw: quantummechanica. Dat twee fundamentele theorieën die hun kracht keer op keer bewezen hebben niet samen te voegen zijn, duidt erop dat de natuurkunde voorlopig nog niet af is. Wellicht kan meer kennis over zwaartekrachtsgolven ons verder helpen.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Meer lezen: