Het is een van de heilige gralen van de natuurkunde: de meting van gravitatiegolven. Volgens Einstein’s relativiteitstheorie zou er in het heelal een achtergrond van deze golven moeten zijn, die informatie bevat over de geboorte van het universum en de manier waarop dat zich ontwikkelt. Een meting van die golven zou ons in staat stellen om uitspraken te doen over de oerknal, en het is informatie waar we op geen enkele andere manier aan kunnen komen.

Langverwachte mijlpaal

Vandaar dat er her en der verspreid grote experimenten zijn opgebouwd, die op verschillende manieren proberen de gravitatiegolven op hun detector zichtbaar te maken. Dat is nog niet gelukt, maar onderzoekers bij de Amerikaanse gravitatiegolvendetector LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) melden deze week wel een ander resultaat van hun onderzoek. De ‘langverwachte mijlpaal’ wordt in het toonaangevende tijdschrift Nature gepubliceerd.

Dit is één van de meetstations van LIGO. De kilometerslange armen van de installatie zijn precies zo afgesteld, dat een laserstraal door elk van de armen evenlang onderweg is. Een kleine verstoring van de lengte van de buizen, door een gravitatiegolf, zou genoeg moeten zijn om een beetje licht te detecteren.

Caltech/MIT/LIGO Laboratory via publiek domein

Caltech/MIT/LIGO Laboratory via publiek domein

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in het ruimte-tijd continuüm: de verweven ruimte en tijd in het heelal waarop de algemene relativiteitstheorie van Einstein stoelt. Ze ontstaan als zware objecten, zoals ineenstortende sterren en zwarte gaten, zich met grote snelheid door de ruimte voortbewegen. Die beweging zorgt voor een ‘deuk’ in de ruimte-tijd, en wekt daarbij een golf op – vergelijk het met een strak gespannen tafelkleed waarop je een bowlingbal laat vallen. Als zo’n gravitatiegolf langskomt, worden de afstanden in het heelal een heel klein beetje groter of kleiner. Wat wij een kilometer noemen, is dan heel even een miljardste meter groter of kleiner. Dit effect is nauwelijks meetbaar, en daarom moeten experimenten die de golven willen detecteren ongelofelijk precies zijn.

Piepkleine lichtjes

Het LIGO-experiment gebruikt een superkoude spiegel om gravitatiegolven te detecteren. Bij hun twee installaties in Hanford en Livingston lopen in tweeën gesplitste laserbundels door kilometerslange tunnels, haaks op elkaar. Normaal zijn de lasers zo uitgelijnd dat hun lichtgolven elkaar uitdoven; beweegt de golf van de ene bundel omhoog, dan duikt de ander juist omlaag. De totale lichtintensiteit is dan nul. Komt er een gravitatiegolf voorbij, dan wordt de ene tunnel een fractie van een millimeter korter dan de andere. De twee laserbundels doven elkaar niet meer uit en de detector pikt een restantje licht op.

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in de ruimte-tijd die ontstaan als zware voorwerpen zich snel door de ruimte voortbewegen.

LSC/NASA

LSC/NASA

Om zeker te weten dat je een gravitatiegolf meet, moet je het signaal dat je meet van een gemiddelde achtergrond aftrekken. Het is de Amerikaanse onderzoekers tot nu toe nog niet gelukt om een signaal te detecteren dat met zekerheid van een gravitatiegolf afkomstig is. Jammer maar helaas, zou je zeggen, maar voor hen was het aanleiding genoeg om een brief naar Nature te sturen. Het gebrek aan resultaten betekent namelijk dat een aantal modellen voor het ontstaan van het heelal, waarin gravitatiegolven een belangrijke rol spelen, definitief onmogelijk zijn. De makers van de veelal wiskundige heelalmodellen kunnen er dus weer een aantal van hun lijstje wegstrepen, en we zijn weer een klein stapje dichter bij het ontrafelen van het mysterie van het begin van alles.

Zie verder:

• Kwantumgekoelde spiegel zoekt zwaartekrachtgolven
• Flitsen uit een woeste kosmos
• Bronnen gravitatiegolven gevonden (Kennislinkartikel van NOVA)
• Gravitatiegolven tussen het graan (Kennislinkartikel)
• Dubbelster straalt zwaartekracht (Kennislinkartikel)
• Rillingen door de ruimte (Kennislinkartikel van Bruno van Wayenburg)
• LIGO (Engels)
• LISA (Engels)