Ruimte

Einsteins ‘onmogelijke’ experiment eindelijk uitgevoerd

De Hubble-telescoop mat een ster met behulp van een techniek die door het beroemde genie werd beschreven, maar die de mens volgens hem nooit zou kunnen toepassen.donderdag 9 november 2017

Door Nadia Drake
In een opname van ruimtetelescoop Hubble is een zogenaamde Einstein-ring te zien, een fenomeen dat optreedt wanneer licht van een sterrenstelsel wordt vervormd en uitvergroot door de massa van een ander sterrenstelsel. Het effect werd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Astronomen hebben de Hubble nu gebruikt om te observeren hoe het licht van één ster wordt verbogen door de massa van een andere ster, in een experiment dat volgens de beroemde natuurkundige zelf onmogelijk zou zijn.

Laat het maar aan ruimtetelescoop Hubble over om aan te tonen dat Albert Einstein ongelijk had – of in elk geval te pessimistisch is geweest.

Onlangs observeerde de Hubble-telescoop hoe een dode ster op een afstand van achttien lichtjaar van de aarde het licht verbuigt van een andere ster, die zich achter deze dode ster lijkt te bewegen. Einstein voorspelde dit effect op basis van zijn algemene relativiteitstheorie, maar hij beweerde ook dat er ‘geen enkele hoop’ was dat wetenschappers het fenomeen ooit zouden observeren.

Die sombere inschatting deed hij echter ruim zestig jaar voordat de mensheid een tamelijk indrukwekkend stukje hardware de ruimte in zou brengen.

De Hubble-telescoop heeft het spektakel nu kunnen observeren en astronomen in staat gesteld conclusies uit het verbogen sterrenlicht te trekken en de massa van de dode ster, Stein 2051B  genaamd, te meten. Het resultaat komt perfect overeen met een eerdere schatting van de massa van de ster, van een eeuw geleden.

“Ik heb jarenlang over dit probleem nagedacht. We wisten niet zeker of het ons zou lukken, maar het was zeker de moeite van het proberen waard,” zegt Kailash Sahu, verbonden aan het Space Telescope Science Institute en hoofdauteur van het verslag van de observatie, dat deze week in het vakblad Science verscheen.

In deze illustratie is te zien hoe de zwaartekracht van een witte dwerg de ruimte vervormd en daarmee het licht van een verder weg staande ster verbuigt.

Onmogelijk volgens Einstein

De verbuiging van sterrenlicht – gravitationele microlensing genoemd – was al eerder geobserveerd door gebruik te maken van het lens-effect van een ster die veel dichter bij de aarde staat: onze eigen zon. Tijdens de volledige zonsverduistering van 1919 deed Arthur Eddington metingen van de posities van sterren die vlakbij de verduisterde schijf van de zon stonden, waardoor hij kon zien dat de zwaartekracht van de zon het licht van deze verre sterren verboog. Daarmee bewees hij dat Einstein met zijn nieuwe relativiteitstheorie iets interessants op het spoor was gekomen.

Astronomen hebben soortgelijke technieken gebruikt om exoplaneten en wolken van donkere materie te ontdekken die anders onzichtbaar zouden zijn. Hun massa vervormt het licht van objecten die verder weg staan, waardoor deze exoplaneten en donkere materie indirect kunnen worden waargenomen. Ook hebben astronomen hele clusters van sterrenstelsels als lenzen gebruikt om sterren die zeer ver van ons vandaan staan telkens weer te zien exploderen.

Maar tot nu toe had niemand gezien hoe één kleine ster het licht van een andere ster vervormde. Dat was het scenario dat Einstein uiteenzette in een artikel dat in 1936 in Science verscheen; in het stuk schreef hij dat het vrijwel onmogelijk zou zijn om het fenomeen te observeren.

En dat terwijl Einstein het artikel alleen maar publiceerde omdat een vriend van hem dat had aangeraden: “Enige tijd geleden kreeg ik bezoek van R.W. Mandl, die mij verzocht de resultaten van een kleine berekening te publiceren die ik op zijn verzoek had gemaakt,” schreef hij. “Met deze aantekeningen voldoe ik aan zijn wens.”

“Einstein zou trots geweest zijn”

door Terry Oswalt

Kosmisch vuurvliegje

Om de juiste uitlijning van sterren te vinden, doorzochten Sahu en zijn team zo’n vijfduizend kandidaat-sterren die als lenzen zouden kunnen fungeren. Uiteindelijk vonden ze de witte dwerg Stein 2051B, het kleine en dichte overblijfsel van een ster die ooit vergelijkbaar was met onze zon.

Maar toen werd het lastig. De toevallige uitlijning van twee sterren is één ding, het observeren ervan is iets heel anders. Zoals Sahu het omschrijft, is de verplaatsing van de beide sterren aan de nachthemel bijna te minuscuul om waar te nemen.

“Stel je een vuurvliegje voor dat van de ene kant van een munt van 50 eurocent naar de andere kant loopt en dat je die verplaatsing op een afstand van 2400 kilometer moet observeren,” zegt hij. “En stel je dan ook nog voor dat er naast het vuurvliegje een sterke gloeilamp [de witte dwerg] hangt en dat je het schijnsel van het vuurvliegje dus moet onderscheiden in het felle licht van de gloeilamp.”

Hij vroeg observatietijd op de Hubble aan, het scherpste oog van de mensheid in het heelal, en kreeg een periode van oktober 2013 tot oktober 2015 toegewezen, waarin het bewuste sterrenduo achtmaal in het vizier van de telescoop kwam.

En inderdaad bleek dat de zwaartekracht van Stein 2051B het ‘vuurvliegjesschijnsel’ van de andere ster verboog en verplaatste. Aan de hand van het verschoven licht kon het team de massa van de witte dwerg berekenen. Met ongeveer 68 procent van de massa van de zon en een doorsnede van één procent van onze ster, bevestigde Stein 2051B bijna perfect een theorie die al in 1930 door  Subrahmanyan Chandrasekhar was voorgesteld en waarin de kwantummechanische wisselwerkingen tussen atomen in sterkernen werd beschreven.

“Zijn theorie voorspelde dat de straal van een witte dwerg afneemt naarmate de massa van die ster op een specifieke manier toeneemt. Onze meting van de massa van deze ster kwam precies overeen met die theorie!” zegt Sahu.

“Was het een verrassing? In zekere zin wel, want meestal komt een meting niet zo precies overeen met de voorspellingen. Maar het was prettig om te zien dat de theorie die we tot nu toe hebben gebruikt, inderdaad juist is.”

De resultaten van de Hubble-observatie wijzen er ook op dat Stein 2051B géén ijzeren kern heeft, anders dan wat eerder werd vermoed. Dat zou hebben betekend dat de ster minimaal even oud is als het universum. Kortom, deze kleine witte dwerg is de meest normale en doodgewone ster die je je kunt voorstellen, en astronomen zijn door het dolle heen.

Nu Sahu en zijn collega’s hun kosmische avontuur met succes hebben afgesloten, hopen ze dat de gegevens zullen helpen bij het meten van de massa’s van andere sterren, mogelijk met behulp van de Gaia-satelliet van de ESA, die druk bezig is om de dichtstbijzijnde miljard sterren te observeren, of met behulp van de nieuwe James Webb Space Telescope van de NASA.

“Einstein zou trots zijn geweest,” zegt Terry Oswalt van de Embry-Riddle Aeronautical University in een verklaring. “Een van zijn belangrijkste voorspellingen heeft een zeer strenge test doorstaan.”

Lees meer