Deense onderzoekers hebben ernstige twijfels over de ontdekking van zwaartekrachtsgolven. Volgens hen zijn de gemeten signalen niet van ruis te onderscheiden. Ook hebben ze kritiek op de onderzoeksmethode van LIGO en de betrouwbaarheid van de gepubliceerde gegevens. Dat meldt de Britse New Scientist. Andere fysici hebben op hun beurt kritiek op het Deense onderzoek.
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd, het onzichtbare geraamte van het heelal. Je kunt ze vergelijken met de rimpelingen die je in het water ziet als je een steen in een vijver smijt. De golven ontstaan bij heftige kosmische gebeurtenissen, zoals een botsing van twee zwarte gaten.
Het bestaan van zwaartekrachtsgolven werd in 1916 voorspeld door Albert Einstein. De iconische natuurkundige dacht zelf dat we de golven nooit zouden waarnemen. Ze worden namelijk steeds zwakker naarmate ze door het heelal reizen. Eenmaal op aarde aangekomen, hebben ze vrijwel geen effect.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Toch maakte het Amerikaanse instituut LIGO honderd jaar na Einsteins voorspelling bekend een zwaartekrachtsgolf te hebben gemeten. Via een ingenieuze opstelling met laserstralen en spiegels maten onderzoekers een signaal dat volgens hen alleen afkomstig kon zijn van een zwaartekrachtsgolf die door twee botsende zwarte gaten was opgewekt.
Sindsdien heeft LIGO nog vijf keer een zwaartekrachtsgolf gemeten. De baanbrekende metingen leverden de ontwikkelaars van de detectoren in 2017 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.
Meteorietinslag
Maar nu zijn er twijfels over de resultaten. Onderzoekers van het Niels Bohr-instituut in Kopenhagen hebben de metingen de afgelopen jaren uitvoerig geanalyseerd. ‘We denken dat LIGO er niet in is geslaagd overtuigend bewijs te leveren voor de meting van ook maar één zwaartekrachtsgolf’, zegt onderzoeker Andrew Jackson tegen de Britse New Scientist.
Met name de beroemde eerste meting vinden de Deense onderzoekers zeer twijfelachtig. Volgens hun analyse is de kans dat signaal GW150914 afkomstig is van botsende zwarte gaten slechts 0,8 procent. De kans dat die zwarte gaten ook nog eens de eigenschappen hebben die LIGO ze toeschrijft, is volgens de Denen zelfs maar 0,0004 procent – vergelijkbaar met de kans dat je omkomt door een meteorietinslag.
Golf en ruis
Het probleem zit hem in de ruis. Zwaartekrachtsgolven veroorzaken een extreem kleine vervorming van de detectoren – ongeveer duizend keer zo klein als de diameter van een proton. Dat is vele malen kleiner dan vervormingen die ontstaan door bijvoorbeeld een langsrijdende vrachtwagen, of welke andere vorm van achtergrondruis dan ook.
Uit al die ruis een zwaartekrachtsgolfsignaal filteren, is als zoeken naar een speld in een planeet vol hooi. LIGO-onderzoekers doen dat door de metingen van twee aparte detectoren voortdurend te vergelijken – de ene in Washington, de andere in Louisiana. Alleen als beide detectoren met de juiste tussenpoos hetzelfde signaal meten, kan er sprake zijn van een zwaartekrachtsgolf. De rest van de opgevangen signalen is ruis.
Maar ook met twee detectoren is het verdomd lastig om golf en ruis te onderscheiden. Onderzoekers weten op voorhand niet precies hoe een zwaartekrachtsgolfsignaal afkomstig van botsende zwarte gaten er uitziet. Met Einsteins algemene relativiteitstheorie kun je dat slechts bij benadering uitrekenen.
Bovendien weten onderzoekers op voorhand ook niet hoe achtergrondruis er uitziet. Dat is immers elke seconde anders. Volgens Jackson heeft het LIGO-team bij geen enkele van de zes metingen met zekerheid alle ruis uit de signalen kunnen filteren.
Collegadetector
Wat de resultaten volgens de Denen extra verdacht maakt, is dat ze niet door een onafhankelijk onderzoeksteam zijn bevestigd. Dat was bijvoorbeeld wel het geval bij de ontdekking van het higgsdeeltje in 2012. Bij CERN hadden teams van twee verschillende experimenten – ATLAS en CMS – afzonderlijk van elkaar het higgsdeeltje in de LHC-data ontdekt.
Een dergelijke werkwijze is bij LIGO onmogelijk. De signalen van de twee detectoren moeten voortdurend met elkaar worden vergeleken – anders weet je nooit of er überhaupt een overeenkomstig signaal kan zijn gemeten.
De laatste van de zes succesvolle metingen is wel buiten LIGO bevestigd. Omdat deze zwaartekrachtsgolf niet afkomstig was van zwarte gaten, maar van twee botsende neutronensterren, werd de golf vergezeld door een uitbarsting van elektromagnetische straling. Deze straling is door zeventig telescopen wereldwijd en in de ruimte opgemerkt. Bovendien werd deze zwaartekrachtsgolf, evenals de vijfde, ook gemeten door LIGO’s Italiaanse collegadetector Virgo.
Maar zelfs van de zesde meting zijn de Denen niet overtuigd. Ze wijzen erop dat onderzoekers dit signaal in eerste instantie afdeden als vals alarm, omdat de detectoren destijds geplaagd werden door onverklaarbare uitbarstingen van ruis.
Handmatig aangepast
Daarnaast heeft het team twijfels bij de betrouwbaarheid van de gepubliceerde resultaten. In het artikel over de eerste meting, in 2016 gepubliceerd in Physical Review Letters, staat een grafiek die de LIGO-gegevens niet exact weergeeft. ‘Om pedagogische doeleinden was die grafiek handmatig aangepast’, erkent Duncan Brown van de Syracuse University in New York, destijds onderzoeker bij LIGO.
Ook de data die LIGO op zijn website openbaart, komen niet exact overeen met de data die de onderzoekers hebben gebruikt. ‘Het lijkt alsof ze transparant zijn, maar dat zijn ze helemaal niet’, zegt Jackson.
Geen koekenbakkers
De Denen publiceerden hun resultaten in drie artikelen (1, 2, 3) in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. De hoofdredacteur van dit vakblad is kosmoloog Viatcheslav Mukhanov van de Ludwig Maximilian-universiteit in München. Volgens hem is de peerreview van de artikelen verricht door wetenschappers met ‘een zeer goede reputatie’. ‘Niemand kon een concrete fout in de Deense analyse aanwijzen’, zegt Mukhanov. ‘De bal ligt nu bij LIGO. Er zijn vragen die om antwoord schreeuwen.’
Als de twijfels terecht blijken, zou dat een fiasco zijn voor de natuurkundige gemeenschap. De meeste andere fysici houden echter vertrouwen in de resultaten. Brown denkt dat de analyse niet klopt, maar wijst er ook op dat de Denen geen koekenbakkers zijn. Hij vindt verder onderzoek daarom wel de moeite waard.
Ook kosmoloog Peter Coles van de Ierse Maynooth University twijfelt niet aan de ontdekkingen. Wel pleit hij voor een onafhankelijke controle. ‘In het kader van transparante wetenschap vind ik dat LIGO alles moet openbaren wat nodig is om hun resultaten te reproduceren.’
Basale fouten
Neil Cornish van de Montana State University, data-analist bij LIGO, is niet onder de indruk. ‘De Deense analyse klopt gewoon niet’, zegt hij. ‘Ze hebben uiterst basale fouten gemaakt.’ Daarmee doelt Cornish met name op het niet gebruiken van een zogeheten vensterfunctie bij het analyseren van de ruwe gegevens. Dat is een wiskundig hulpmiddel om signalen in afzonderlijke componenten op te splitsen.
Momenteel werkt Cornish met collega’s aan een artikel dat de eigenschappen van de LIGO-ruis in detail beschrijft. ‘Dat is het soort artikel dat we eigenlijk niet wilden schrijven, omdat het saai is en we wel spannendere dingen te doen hebben’, zegt Cornish. Maar hij voegt daaraan toe dat nadere bestudering geen kwaad kan. ‘Je moet je ruis wel begrijpen.’
In een korte verklaring op de website bevestigt LIGO dat aan dit ruisartikel wordt gewerkt. Ook laat het instituut weten ‘volledig vertrouwen te hebben in de gepubliceerde resultaten’.
Twee typen analyses
Jo van den Brand, vertegenwoordiger van VIRGO, onderdeel van de LIGO-VIRGO-collaboratie, was nauw betrokken bij de data-analyse van de waargenomen zwaartekrachtsgolven en is verbolgen over de verwijten. ‘Er is niets in de publicaties van de Deense groep dat maakt dat er iets aan de hand zou zijn met onze analyses. We gebruiken twee typen analyses afzonderlijk van elkaar. Eén analyse neemt niets aan over de vorm van de golf, en kijkt puur naar welk deel van het signaal je zowel in de ene als in de andere detector ziet. De golfvorm die hier uit komt vergelijken we met de oplossingen van de vergelijkingen van Einstein. Die golfvormen vallen over elkaar heen, en dat zit in onze publicatie.’
‘Dan is er nog een tweede analyse die wel aannames gebruikt over de vorm van de golf. De resultaten van deze analyse komen voor 94% overeen met de eerste analyse, die helemaal geen aannames doet. Afgezien van de fouten die ze in hun artikel maken, negeren de Deense onderzoekers het bestaan van de eerste analyse volledig. Toen ik afgelopen zomer op een conferentie aan ze vroeg of ze zich bewust waren van het feit dat de echte detectie is gedaan door een methode die helemaal geen aannames doet, was het stil aan de andere kant.’
‘We zijn heel open geweest, en dat moet ook’, vult Van den Brand aan. ‘We hebben direct al onze data en een deel van de gebruikte analysesoftware publiek gemaakt. Iedereen kan bekijken hoe wij het doen en het heranalyseren. Dus het verwijt dat wij niet open zijn, vind ik heel ver gaan. We zullen proberen om nog één keer goed op te schrijven wat we precies doen, maar op een gegeven moment is het gewoon niet redelijk meer.’
Stofwolken in de ruimte
Het zou niet de eerste keer zijn dat een zwaartekrachtsgolfontdekking later wordt ingetrokken. In 2014 dachten onderzoekers van het BICEP2-experiment sporen van zwaartekrachtsgolven te hebben gevonden in de kosmische achtergrondstraling, de onzichtbare straling waarmee het hele heelal is gevuld. Deze vondst zou bewijzen dat het heelal vlak na de oerknal een korte periode van razendsnelle uitdijing doormaakte.
Aanhangers van deze ‘inflatietheorie’ moesten een half jaar later echter even slikken. De patronen in de kosmische achtergrondstraling bleken veroorzaakt door stofwolken in de ruimte.
Dit bericht is grotendeels gebaseerd op een artikel dat Michael Brooks schreef voor de Engelstalige New Scientist. Het bericht is vrijdag om 15.30 geüpdatet met de reactie van Jo van den Brand.
