11 februari 2016
Na bijna een eeuw is de studie naar een ongrijpbare kosmische gegevensbron voltooid. Met behulp van lasers en spiegels hebben wetenschappers zwaartekrachtgolven – rimpels in het weefsel van de ruimtetijd – direct kunnen waarnemen.
Twee op elkaar botsende zwarte gaten, een met een massa van 36 zonnen en de andere met een 29 zonnen, zonden de zwaartekrachtgolven uit terwijl ze steeds dichter om elkaar heen draaiden en uiteindelijk op elkaar stuitten.
Op een afstand van ruwweg 1,3 milard lichtjaar breidden de golven zich als rimpels op de kosmische vijver uit en bereikten de aarde op 14 september, waar ze een minuscule verandering in de afstand tussen vier spiegelopstellingen veroorzaakten – twee in Louisiana en twee in de staat Washington.
In de laatste seconde voordat de zwarte gaten met elkaar versmolten, braakten ze 50-maal méér energie uit dan alle sterren in alle sterrenstelsels in het universum tezamen.
“Het is voor het eerst dat het heelal in de vorm van zwaartekrachtgolven tot ons heeft gesproken,” zei David Reitze van Caltech op een persconferentie over de ontdekking op 11 februari.
Voor de wetenschappers die de experimentele spiegelopstelling van het ‘Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory’ of LIGO observeerden, getuigde het signaal dat ze op aarde ontvingen – een kenmerkende “tsjilp” – van een fatale ontmoeting en versmelting van twee zwarte gaten.
“We kunnen de zwaartekrachtgolven horen, we kunnen het universum horen,” zei Gabriela Gonzalez van de Louisiana State University. “We zullen niet alleen in staat zijn om het universum te zien, maar we kunnen er nu ook naar luisteren.”
Het is een ontdekking die volgens velen een Nobelprijs waard is; over de aankondiging ervan werd al weken, zo niet maanden, gespeculeerd terwijl geruchten over een veelbelovende ontdekking van het LIGO-team op sociale media circuleerden.
Ruimtegolven
Zwaartekrachtgolven werden in 1916 voor het eerst voorspeld door Albert Einstein en behoren tot de meest paradoxale onderdelen van zijn algemene relativiteitstheorie. Ze worden geproduceerd door extreme kosmische gebeurtenissen, zoals op elkaar botsende zwarte gaten, met elkaar versmeltende neutronensterren of exploderende sterren – gebeurtenissen die zó energetisch en gewelddadig zijn dat ze in staat zijn het harde en starre weefsel van de ruimtetijd zelf te vervormen, waarbij het wordt opgerekt en weer krimpt.
Deze veranderingen zijn natuurlijk niet duidelijk waarneembaar. Als dat het geval zou zijn, zouden onze klokken heel onregelmatig lopen en de aarde voortdurend worden uitgerekt en ingedrukt. Maar “op dit moment gaan zwaartekrachtgolven door ons heen,” zegt Alan Weinstein, leider van het LIGO-team van Caltech. “Daar verwed ik m’n linkerarm voor. En ik ben linkshandig.”
Het betekent dat deze extreem krachtige golven de aarde doorkruisen, maar dat hun effect ook extreem moeilijk valt waar te nemen. “Het effect van dat oprekken en samendrukken van de ruimte is wáánzinnig klein,” zegt Weinstein, die erop wijst dat een passerende zwaartekrachtgolf de afstand tussen twee mensen die een meter van elkaar zitten met slechts één miljoenste van de diameter van een proton (een van de deeltjes in de atoomkern) kan veranderen.
Maar als je twee spiegels vier kilometer van elkaar plaatst, zoals LIGO heeft gedaan, wordt het effect van die zwaartekrachtgolf één tienduizendste van de diameter van een proton. “En dat kunnen we nog nèt meten,” zegt Weinstein.
LIGO maakt gebruikt van twee identieke, L-vormige detectoren die een continent van elkaar staan: in Livingston, Louisiana, en in Hanford in de staat Washington. De meting van een zwaartekrachtgolf wordt pas als reëel beschouwd als de golf door beide detectoren wordt opgepikt, die elk uit twee paar spiegels bestaan die loodrecht op elkaar zijn geplaatst. Een passerende zwaartekrachtgolf zal de ruimtetijd in één richting oprekken en in de tegenovergestelde richting weer samendrukken, waardoor een ongelooflijk kleine verandering in de lengte van de detectorarmen optreedt, die wordt gemeten met laserlicht.
Het apparaat is het gevoeligste meetinstrument op aarde, en naast zwaartekrachtgolven detecteert het ook vibraties van zaken die zich zes Amerikaanse staten verderop afspelen, zoals rijdende vrachtwagens, aardbevingen en blikseminslagen; ook signalen van GPS-satellieten en elektromagnetische pulsen die in de bovenste atmosfeer van de aarde worden gedetecteerd. Al die ruis moet worden weggefilterd om het minuscule signaal van de zwaartekrachtgolven te kunnen oppikken.
Na tientallen jaren van voorbereiding en politiek getouwtrek werden de LIGO-detectoren in 2002 voor het eerst ingezet om naar zwaartekrachtgolven te luisteren; na acht jaar stilte werden ze in 2010 stilgelegd en nog beter geïsoleerd tegen stoorsignalen.
Toen het werk met de nieuwe ‘Advanced LIGO’ op 18 september begon, hadden de wetenschappers goede hoop dat ze iets zouden waarnemen.
Door een merkwaardige speling van het lot hadden ze al een detectie gedaan: LIGO was al ingeschakeld vóór de officiële observaties zouden beginnen en er was een zeer veelbelovend signaal opgepikt. Dat signaal arriveerde eerst bij de detector in Louisiana en dook zeven milliseconden later in Washington op.
“Toen deze gebeurtenis binnenkwam, waren we ervan overtuigd dat het een goed signaal was. Waren we verbaasd omdat het té mooi leek om waar te zijn? Jazeker. Mijn reactie was: Wow! Ik kon het niet geloven,” zegt Reitze.
Botsende zwarte gaten
Met behulp van een handjevol van Einsteins vergelijkingen wisten de wetenschappers de waargenomen golven te herleiden naar het type astronomische gebeurtenis dat ze hadden veroorzaakt. In dit geval leken de vergelijkingen te wijzen op twee zwarte gaten die op elkaar botsten; terwijl ze met elkaar versmolten, vormden ze een nieuw zwart gat van iets meer dan 60 zonsmassa’s.
Zwarte gaten zelf ontstaan uit de ineenstorting en ondergang van enorme sterren en behoren tot de merkwaardigste objecten in het bekende universum – áls je ze al objecten” kunt noemen. Het is eenvoudig om je een zwart gat voor te stellen als een homp materie die zó dicht is dat de zwaartekracht ervan alles wat in de buurt komt opzuigt, zelfs licht. Maar zwarte gaten zijn niet zozeer “dingen” of “objecten”, maar meer regio’s waar de intens gekromde ruimtetijd een bodemloze zwaartkrachtput heeft gevormd. Wanneer twee zwarte gaten met elkaar versmelten, is dat een wel heel bijzondere gebeurtenis.
“Het is een soort wervelwind van gekromde ruimte die razendsnel verandert,” legt Weinstein uit.
Bij de botsing die LIGO waarnam, hadden twee zwarte gaten miljoenen of miljarden jaren om elkaar heen gedraaid, waarbij ze geleidelijk naar elkaar toe waren getrokken. Hoe dichter ze elkaar naderden, des te sneller de spiraalbewegingen werden, totdat ze tenslotte met circa de helft van de lichtsnelheid om elkaar heen draaiden. Daarbij werd een kolossale hoeveelheid energie uitgebraakt, in de vorm van ruimtekrommende zwaartekrachtgolven.
Daarna versmolten de zwarte gaten. In de laatste seconde voordat dit gebeurde, stootten de om elkaar tollende monsters méér energie uit dan alle vormen van straling in het hele universum tezamen. Toen ze eenmaal waren versmolten, bleef het nieuwe zwarte gat nog enige tijd vibreren, waarna het tot rust kwam en een zogenaamde ‘ringdown’ uitzond, een laatste signaal voordat het stabiel werd.
Het is een indrukwekkend verhaal, verteld aan de hand van ongelooflijk kleine veranderingen in de afstand tussen een stel spiegels hier op aarde.
“De gegevens zijn gewoon waanzinnig,” zegt astronoom Scott Ransom van het National Radio Astronomy Observatory, die inzage had in het manuscript dat in Physical Review Letters zal verschijnen. “Dat we de golven gewoon kunnen zien in de ‘ruwe’ data van de detectoren, zonder verdere statistische opschoning, is meer dan we ooit hadden kunnen hopen.”
De wetenschappers van het LIGO-team zijn vol vertrouwen dat het signaal echt is; een vals alarm dat zó echt lijkt, zou slechts éénmaal in de 200.000 jaar voorkomen, zo hebben ze berekend. Dat geldt niet voor alle potentiële waarnemingen van zwaartekrachtgolven die het team tot dusver heeft verzameld. LIGO heeft nog minstens één ander veelbelovend signaal opgepikt, op 12 oktober. Ook dit signaal werd veroorzaakt door versmeltende zwarte gaten, maar de wetenschappers kunnen nog niet met zekerheid zeggen dat het géén vals alarm is.
Een nieuw tijdperk
De ontdekking betekent dat wetenschappers zwaartekrachtgolven voor het eerst direct hebben waargenomen, maar het bestaan ervan was al eerder geleverd. In 1974 detecteerden Joe Taylor en Russell Hulse een nieuw en vreemd soort object: een binaire pulsar, oftewel twee neutronensterren die om elkaar heen draaien. Het team slaagde erin te bepalen dat de pulsars steeds dichter om elkaar heen draaiden en realiseerden zich dat zoiets alleen mogelijk is als er energie uit het systeem wordt afgevoerd, door middel van zwaartekrachtgolven.
De ontdekking, die het bestaan van zwaartekrachtgolven onomstotelijk bewees, leverde Taylor en Hulse in 1993 de Nobelprijs in de natuurkunde op.
Het verschil met het LIGO-team is dat deze groep erin is geslaagd de golven hier op aarde direct waar te nemen – een ontdekking die een nieuw tijdperk in de astronomie inluidt en astronomen zal helpen nog dieper in de kosmos te kijken.
Als we het universum in zwaartekrachtgolven kunnen ‘zien’, zou dat vergelijkbaar zijn met de eerste keer dat wetenschappers de nachthemel in infraroodlicht, röntgenstraling of microgolven bekeken. Duizenden jaren lang was de astronomie afhankelijk van zichtbaar licht: de mens kon sterren en planeten zien en ze over het firmament zien bewegen. Maar in het infrarode universum wemelt het van hete clusters met veel stofwolken, waar sterren worden geboren; het röntgenuniversum is vol van stellaire lijken en het universum in microgolflengte met nagloeiende resten van de Big Bang. Zo ook zal het bekijken van de nachthemel met behulp van zwaartekrachtgolven een revolutie in de astronomie teweegbrengen.
“Het is een nieuwe manier om naar verre objecten en verschijnselen in het heelal te kijken, iets wat ons met behulp van elektromagnetische straling niet zo goed is gelukt,” zegt Taylor, astrofysicus aan de Princeton University. Hij haalt het voorbeeld van een zwart gat aan:”We vermoeden dat deze dingen bestaan en we hebben indirect bewijs voor zwarte gaten gezien in het centrum van sterrenstelsels, maar nu hebben we een directe manier om ze te meten, een manier die heel anders is.”
Bovendien zouden zwaartekrachtgolven het komende decennium ook in andere experimenten waargenomen kunnen worden. Een van die experimenten, NANOGrav, gebruikt pulsars in het millisecondebereik – sterren die de tijd uitzonderlijk accuraat bijhouden – als natuurlijke detectoren van zwaartekrachtgolven. Wanneer de golven door de pulsars stromen, verstoren ze eventjes de tolsnelheid van de dode ster, en dat kenmerkende signaal kan door de hele nachthemel worden getraceerd.
In tegenstelling tot LIGO, dat gevoelig is voor zwaartekrachtgolven die worden veroorzaakt door cataclysmen op het niveau van stellaire massa’s, kunnen met de pulsarmethode de veel langere rimpels worden waargenomen die worden uigezonden door om elkaar heen draaiende, superzware zwarte gaten, kosmische afvoerputjes die in de centra van sterrenstelsels rondtollen.
“We richten ons ook op de tienduizenden jaren die voorafgaan aan de versmelting van deze superzware zwarte gaten, omdat ze in die periode zwaartekrachtgolven in onze bandbreedte uitzenden,” zegt Ransom. “We hebben het dan over miljarden of minstens honderden miljoenen zonsmassa’s.”
Een ander experiment dat is voorgesteld, is de lancering van een ruimteobservatorium voor de detectie van zwaartekrachtgolven, eLISA genaamd, dat golven zou kunnen waarnemen die bij allerlei astronomische gebeurtenissen optreden. En dan zijn er nog teams die op zoek zijn naar de ‘oer’-zwaartekrachtgolven die werden geproduceerd tijdens de razendsnelle kosmische expansie van het vroege universum. In 2014 kondigde het BICEP2-team aan dat het deze zwaartekrachtgolven had ontdekt, maar het signaal bleek van stofwolken afkomstig te zijn in plaats van de gezochte inflatiefase.
Het zal wel even duren voordat een astronomie gebaseerd op zwaartekrachtgolven een algemeen toegepaste discipline is geworden. Maar als het zover is, zullen extreme kosmische gebeurtenissen die tot nu toe in wiskundige modellen huizen, in het domein van de direct waarneembare werkelijkheid terechtkomen en het universum met een geheel nieuwe fauna van onopgeloste raadsels bevolken.
