Eerste directe detectie van zwaartekrachtgolven

Ontdekking zorgt voor nieuwe kijk op het universum

Een groot team van internationale wetenschappers jubelde donderdag voor de toegestroomde pers: voor het eerst zijn er zwaartekrachtgolven gemeten. De door Albert Einstein voorspelde golven in de ruimtetijd zijn veroorzaakt door twee zwarte gaten die 1,3 miljard jaar geleden samensmolten.

door

Opnieuw golven gemeten

Op 15 juni 2016 maakten wetenschappers bekend dat de LIGO-detector in de nacht van tweede kerstdag, 26 december 2015, voor de tweede keer ooit zwaartekrachtgolven detecteerde. Het duurt altijd even voordat de data zo geanalyseerd is, dat duidelijk is dat het inderdaad een goede meting is.
Het signaal duurde ongeveer een seconde en was terug te leiden tot twee zwarte gaten die samensmolten tot één zwaarder zwart gat. De twee objecten wogen respectievelijk acht en veertien keer de massa van onze zon en produceerde een nieuw zwart gat van 21 zonsmassa’s. Een flink deel van de massa werd met deze gewelddadige gebeurtenis direct omgezet in zwaartekrachtgolven.
De detectie komt relatief snel na de allereerste meting, op 14 september 2015, die afgelopen februari groot nieuws was. Dat belooft wat voor nieuwe meetsessies van LIGO en de Europese Virgo-detector die voor dit najaar op de planning staan. Het tijdperk van astronomie aan de hand van zwaartekrachtgolven is in ieder geval begonnen.

Samensmelting zwart gat2

Impressie van het ontstaan van zwaartekrachtgolven door twee draaiende zwarte gaten. LSC/NASA

Het gebeurt zelden dat natuurkunde de headlines haalt, maar deze week was het raak. Honderd jaar nadat Albert Einstein voorspelde dat de ruimte deint als een vijveroppervlak, kondigen wetenschappers aan dat ze deze rimpelingen daadwerkelijk hebben gemeten. De zwaartekrachtgolven werden afgelopen september gedetecteerd, vrijwel meteen nadat de verbeterde Amerikaanse LIGO-detector in gebruik werd genomen.

Die golven kun je je voorstellen als een kortstondige en minuscule uitdijing en inkrimping van de ruimte, en zijn voor de mens volstrekt onmerkbaar. Maar LIGO was wél in staat om het ongeveer 0,2 seconde durende signaal op te pikken. Het is afkomstig van twee zwarte gaten van respectievelijk 29 en 36 maal de massa van onze zon, die op een afstand van ruim 1,3 miljard lichtjaar samensmolten tot één zwart gat. De grote massa’s en de gigantische snelheden die met de samensmelting gepaard gingen, zorgden voor golven die nu ruim een miljard jaar later gedetecteerd zijn op aarde.

Naast de ontdekking van zwaartekrachtgolven zijn er volgens de betrokken wetenschappers verschillende primeurs te melden. Voor het eerst zijn er twee zwarte gaten gevonden die om elkaar heen draaiden. Ook waren er nog nooit zwarte gaten met een massa van pakweg dertig zonsmassa’s gevonden. Wetenschappers vroegen zich zelfs af of ze überhaupt bestonden. De ontdekkingen zijn deze week bekendgemaakt in verschillende wetenschappelijke artikelen en tijdens verschillende persconferenties in onder andere Amerika, Italië en Nederland.

Tsjirpende ruimte

De afgelopen maanden gonsde het al in natuurkundeland: waren er daadwerkelijk zwaartekrachtgolven ontdekt? Wel volgens tweets van een gerenommeerde professor. En ook volgens een uitgelekte (Engelstalige) e-mail van een overigens niet betrokken wetenschapper. Maar het kon eigenlijk niet meer missen of de directe detectie van zwaartekrachtgolven zou donderdag bekend worden gemaakt.

Het ‘geluid’ van twee samensmeltende zwarte gaten. Het signaal dat door LIGO is opgepikt bestaat uit een korte puls die snel hoger wordt. Dit is precies de voorspelling voor zwaartekrachtgolven van twee zwarte gaten die steeds sneller om elkaar heen draaien, samensmelten, en stil worden. Het zwarte gat dat hierbij ontstaat produceert in zijn eentje namelijk geen zwaartekrachtgolven meer.

Het gemeten signaal is een soort ‘tsjirp’ dat ongeveer 0,2 seconde duurt en daarna verdwijnt. Maar hoe weten de wetenschappers wat ze hebben ‘gehoord’? “Er zit heel veel informatie in de vorm van de golven die we meten”, zegt Gijs Nelemans, sterrenkundige van onder andere de Radboud Universiteit Nijmegen die betrokken was bij het onderzoek. Denk daarbij aan de intensiteit van het signaal en de manier waarop de frequentie van de golf verandert.

Uiteindelijk konden de astronomen zo bepalen dat het om twee zwarte gaten moest gaan van pakweg 29 en 36 zonsmassa’s die elkaar naderden tot een afstand van 210 kilometer en samensmolten tot een nieuw zwart gat van ongeveer 62 zonsmassa’s. Daarbij is een deel van de massa van de zwarte gaten omgezet in energie en zwaartekrachtgolven. “Het is de krachtigste gebeurtenis in het universum die we direct hebben waargenomen”, zei Jo van den Brand, hoogleraar astrofysica van de Vrije Universiteit en het Nikhef tijdens de persconferentie in Amsterdam.

Van den Brand liet ook weten dat er met deze ontdekking een geheel nieuwe tak van natuurkunde en astronomie is geboren. “Het is alsof we jarenlang naar een orkest hebben zitten kijken en het nu opeens kunnen horen, geweldig.” Het biedt volgens de betrokken wetenschappers kans om nieuw onderzoek te doen, en vooral aan extreme objecten zoals zwarte gaten.

Lange zoektocht

Uit Einsteins 100 jaar oude algemene relativiteitstheorie volgt dat er zwaartekrachtgolven kunnen bestaan. Hij dacht zelf echter dat we nooit in staat zouden zijn om ze te detecteren. Toch werden er in de vroege jaren 2000 verschillende detectors in gebruik genomen die ernaar op zoek gingen. De eerste versie van de LIGO-detector liep van 2002 tot 2010 en heeft in die tijd niets gemeten. Van 2010 tot 2015 onderging de machine een upgrade naar Advanced LIGO, die met een viermaal hogere precisie op zoek ging naar ruimterimpelingen. Afgelopen september kwam Advanced LIGO in bedrijf, en het was meteen raak.

Overigens is er in 1993 al een Nobelprijs voor de Natuurkunde vergeven voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven. Dat was niet op basis van de directe detectie, maar uit een afleiding op basis van radiostraling van twee om elkaar draaiende pulsars.

Ligo hanford observatory 1

Een van de twee Amerikaanse LIGO-detectoren in Handford, Washington. LIGO

Extreme precisie

Het meten van zwaartekrachtgolven is geen sinecure. De voorspelde golven laten een meter ruimte kortstondig inkrimpen of uitdijen met een fractie van de diameter van een proton. De enige manier om vast te stellen of de ruimte daadwerkelijk op deze manier golft, is kijken hoe lang een laserstraal erover doet om een bepaalde (grote) afstand af te leggen.

Hiervoor wordt een zogenoemde interferometer gebruikt. Een krachtige laserstraal wordt op een half doorlaatbare spiegel geschenen en als het ware in tweeën gesplitst. De twee stralen gaan vervolgens twee loodrechte, vrijwel even lange armen in waarin de straal talloze keren heen en weer wordt gekaatst. Uiteindelijk laten de wetenschappers de twee laserstralen weer samenkomen op één punt, waarbij de lichtgolven elkaar via zogenoemde interferentie precies uitdoven.

De lasers doven elkaar echter níet meer precies uit op het moment dat er een zwaartekrachtgolf passeert. Deze golf verandert kortstondig de lengte van de armen en daarmee de reistijden van het licht. Het laserlicht dat uiteindelijk aankomt in de detector vormt het bewijs voor zwaartekrachtgolven. Overigens is het extreem belangrijk dat de detectors niet verstoord worden door bijvoorbeeld seismische trillingen. Daarom is LIGO dubbel uitgevoerd, met een detector in de staat Washington, en een andere in Louisiana.

Uitleg over de werking van de LIGO-interferometer, vanaf 1:45m. Door Bruno van Wayenburg.

Meer detectoren

Eigenlijk was de interferometer nog bezig met testmetingen toen het signaal dat nu voorpagina’s van kranten haalt werd gemeten. Nelemans kon de gegevens van de detectors in eerste instantie ook bijna niet geloven, laat hij weten. “Maar het is een ongelofelijk helder signaal, veel duidelijker dan we hadden verwacht. In december, enkele maanden na de ontdekking, was het duidelijk dat het signaal echt was.”

De wetenschappers kunnen na deze ontdekking in hun handen wrijven, want binnenkort krijgen ze nog meer mogelijkheden om zwaartekrachtgolven te meten. Ten eerste wordt dit jaar ook de verbeterde Virgo-detector in de buurt van het Noord-Italiaanse Pisa operationeel. In de komende jaren volgen nieuwe detectoren in Japen en India. “Met al deze systemen wordt onze precisie veel groter”, zegt Nelemans. “Er gaat nog heel veel gebeuren in het splinternieuwe vakgebied dat vandaag is geboren.”

Zelf werkt Nelemans mee aan de realisatie van eLISA, een interferometer in de ruimte die door de veel grotere afstand die hij bestrijkt ook veel ‘grotere’ zwaartekrachtgolven kan meten. “Dat zijn typisch golven die afkomstig kunnen zijn van superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels*”, zegt Nelemans. “Objecten die we niet met LIGO en Virgo kunnen zien.”

Elisa

De eLISA is een voorgestelde detector voor zwaartekrachtgolven in de ruimte. NASA

Op die termijn zou ook de voorgestelde Einstein Telescoop het licht kunnen zien. Deze interferometer zou op de stabiele bodem in de mergelgrotten van Zuid-Limburg op zoek gaan naar zwaartekrachtgolven.

De vraag is nu wanneer de volgende zwaartekrachtgolf wordt waargenomen. “In principe kan het nu jaren stil zijn. Er is weinig over te zeggen als je maar een meting hebt. Natuurlijk hoop ik dat er snel een nieuwe detectie volgt”, zegt Nelemans. Zijn collega Chris Van Den Broeck van Nikhef vult hem aan: “Van de afgelopen maanden is pas de helft van de data geanalyseerd. Het zou zomaar kunnen dat we de volgende rimpeling al hebben gemeten!”

Bron

  • Abbott B. et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review Letters (11 februari 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102