Je leest:

Gravitatiegolven tussen het graan

Gravitatiegolven tussen het graan

Auteur: | 28 juni 2006

In Nedersaksen is de detector GEO600 begonnen aan een maandenlange speurtocht naar gravitatiegolven. Zulke rimpels in de ruimte ontstaan bijvoorbeeld als sterren aan het eind van hun leven als supernova ontploffen. Met de gevoelige lasers van GEO600 zijn de golven tot op miljoenen lichtjaren afstand te meten. Nieuwe telescopen in aantocht?

Na jaren ploeteren kunnen natuurkundigen bíjna rimpels in de zwaartekracht zien. In de Duitse deelstaat Nedersaksen moet de GEO600, een gevoelige meetlat van laserlicht, minieme golfjes in het weefsel van ruimte en tijd zichtbaar maken. Het project is een samenwerkingsverband van Duitse en Engelse wetenschappers. Tussen de graanvelden gaat de detector net als het Amerikaanse LIGO en Italiaanse VIRGO op zoek naar de laatste nog niet geteste voorspelling van Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie.

Gravitatiegolven racen met de lichtsnelheid door de ruimte en vervormen alles op hun pad: sterren, planeten en mensen samengeperst en uitgetrokken als een anti-stress kneedballetje. Gelukkig is de zwaartekracht veel zwakker dan de elektromagnetische kracht die voor licht en radiostraling zorgt. Zelfs de gravitatiegolven van een titanische bron als twee samensmeltende zwarte gaten vervormen de ruimtetijd minder dan de straal van een atoomkern. bron: Henze / NASA

Een bijproduct zijn ze eigenlijk, die licht- en radiogolven waar wij mensen zo graag gebruik van maken. Elke heen en weer gerukte lading, zoals een elektron in de elektrische stroom van een radioantenne, zendt door de plotselinge beweging straling uit. Hoe heftiger de beweging en hoe groter de lading, hoe sterker de golf. Zoals in de radio, zo ook in de ruimte: volgens Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie ontstaan gravitatiegolven als massa, de ‘lading’ van zwaartekracht, een flinke schok krijgt. De ruimte zelf, het coördinatenstelsel waar alle materie in beweegt, begint dan te trillen.

Gravitatiegolven zijn ontzettend zwak. Zelfs de golven van twee samensmeltende zwarte gaten vervormen de ruimtetijd minder dan de straal van een atoomkern. Gelukkig, maar tegelijkertijd ook frustrerend: natuur- en sterrenkundigen proberen al jaren de zwakke gravitatiegolven waar te nemen. Daarmee controleren ze tegelijkertijd of die voorspelling van Einstein’s theorie klopt én bouwen ze een nieuw soort telescoop die dwars door interstellair stof en gas heenkijkt.

Luchtfoto van de GEO600 in Nedersaksen. De detector gaat met gevoelige laserbundels op zoek naar golfjes in het weefsel van de ruimte: Einstein’s gravitatiegolven. bron: GEO600. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Indirect bewijs

Soms hoef je iets niet te zien om te weten dat het er is. In 1993 kregen de sterrenkundigen Russel Hulse en Joseph Taylor de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun metingen van de dubbelster PSR 1913 + 16. Die bestaat uit twee regelmatig knipperende pulsars, de uitgebrande en ineen gestorte kernen van zware sterren. De twee draaien om elkaar heen en volgens Hulse en Taylor doen ze dat steeds dichter bij elkaar.

Ergens raken de twee neutronensterren energie kwijt, anders zouden ze niet naar elkaar toe zakken. In de ruimte is geen luchtwrijving, dus waar ging die energie dan verloren? De twee onderzoekers berekenden hoeveel energie de dubbelster door zijn tolbeweging kwijt zou raken aan gravitatiegolven en dat bleek precies te kloppen met de ontbrekende bewegingsenergie van de pulsars. De eerste gravitatiegolven waren gezien, al was het dan indirect. Directe waarneming van gravitatiegolven zou een compleet nieuw venster op de kosmos openen: ineens kunnen we dan verschijnselen zien die achter dikke gasnevels verscholen gaan of zó ver weg staan dat hun licht te zwak is om waar te nemen.

Twee restanten van zware sterren tollen om elkaar heen; door die snelle beweging wekken ze gravitatiegolven op. De energie om die golven op te wekken komt uit hun eigen tolbeweging en de twee zakken dan ook steeds dichter naar elkaar toe. bron: LISA

Voor sterrenkundigen aan ‘donkere astronomie’ kunnen doen, waarbij ze niet naar licht maar naar gravitatiegolven kijken, is nog een lange weg te gaan. Materie vervormt minder dan een miljardste meter als zo’n golfje passeert, dus voelen kun je ze niet en een meetlat, zelfs een heel gedetailleerde, zou gewoon meerekken met de ruimte. Met laserbundels, bedachten de bouwers van projecten als GEO600 en LIGO, heb je dat probleem niet.

In een opstelling als GEO600 kijkt een computer continu naar twee lasers die elk door een eigen gang lopen. De gangen zijn 600 meter lang en staan haaks op elkaar; het idee is dat een langskomende zwaartekrachtgolf de ene gang samenperst terwijl hij de andere uitrekt. Tijdens zo’n golfpassage hoeft de ene laser iets minder ver te reizen dan de andere. Normaal bewegen de twee lichtgolven perfect tegen elkaar in, waardoor ze elkaar via interferentie uitdoven, maar door de gravitatiegolf lopen ze ineens uit de pas. Er gaat letterlijk licht aan in de detector.

Observatoria die op zoek zijn naar gravitatiegolven. De meeste projecten zijn varianten op de Michelson-Morley interferometer waar ook GEO600 op is gebaseerd. De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is een nieuw ontwerp. De enorme detector bestaat uit drie ver uiteen zwevende satellieten die met lasers hun onderlinge meten. LISA wordt naar verwachting in 2015 gelanceerd. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Storing

Dé uitdaging voor de bouwers van GEO600 was de laserbundels vrij houden van allerlei storing. De spiegels die de bundels aan het einde van de twee gangen terugkaatsen naar de detector, de bron zelf, allemaal kunnen die door kleine trillingen het interferentiepatroon laten verschuiven. Daarom moet GEO600 wel samenwerken met zijn concurrenten in de V.S., Italië en Japan. Gaat er maar één detector af, dan trilde er misschien een spiegel of stukje optische apparatuur. Als ze allemaal tegelijkertijd afgaan, is er waarschijnlijk wél een zwaartekrachtgolf door de aarde getrokken. De verschillende teams willen natuurlijk allemaal dat de eer van de eerste gravitatiegolf naar hún detector gaat. Samenwerking dus, maar met tegenzin: laat die ruimterimpels maar komen!

Andere gravitatiegolf-detectoren

Meer over gravitatiegolven

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 juni 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.