Je leest:

In de draaikolk van de zwaartekracht

In de draaikolk van de zwaartekracht

Auteur: | 22 oktober 2004

“Einstein’s theorie klopt”, zeggen twee natuurkundigen. In de baanbeweging van de twee Lageos-satellieten vonden ze bewijs dat de aardse zwaartekracht een draaikolk vormt. Niet iedereen is overtuigd.

Ignazio Ciufolini van de Universiteit van Lecce (Italië) en Erricos Pavlis van de Universiteit van Maryland (VS) hebben Einstein’s relativiteitstheorie tegen het licht gehouden. Uit de beweging van de twee Lageos-satellieten leidden ze af dat de aarde de ruimte in haar directe omgeving meesleept als in een draaikolk ( frame-dragging). Het effect is subtiel, maar volgens de twee natuurkundigen toch meetbaar. Met hun meting zijn ze het prestigieuze Gravity Probe B-project te snel af geweest. Die peperdure satelliet vertrok op 20 april 2004 voor een zwaartekrachtsmeting van een jaar. Ciufolini en Pavlis publiceerden hun resultaten in het prestigieuze blad Nature.

Alle sterrenstelsels, sterren en planeten in het heelal tollen om hun as. Voelen we daar iets van? Volgens de bewegingsleer van Newton is er geen verschil tussen de twee; draaiende ster of niet, de zwaartekracht ervan is hetzelfde. Einstein’s algemene relativiteitstheorie (ART) voorspelt dat er wel degelijk een kleine kracht werkt. Zware, snel rondtollende massa’s trekken hun omgeving mee in een draaikolk-effect. In het dagelijks leven merken we daar niets van, want de aarde is veel te licht om de Lense-Thirring-precessie of frame-dragging voelbaar te maken. Zelf voelen kunnen we het effect dus niet, maar met gevoelige apparatuur kunnen we het wel meten. Ciufolini en Pavlis hebben het effect nu uit de veranderende baan van de twee Lageos-satellieten weten te destilleren.

De draaikolk van de zwaartekracht om een tollende neutronenster, een bolletje neutronen van twintig kilometer breed en zo zwaar als de zon. Neutronensterren zijn de resten die een zware ster aan het einde van zijn leven overlaat. Ze draaien enorm snel om hun as – sommigen wel een miljoen keer per seconde – en wekken volgens de ART een sterk Lense-Thirring-effect op. bron: NASA/JPL

Lageos-1 en -2 zijn identiek: 405 kg. aan koper en aluminium, bedekt met 426 spiegeltjes om laserlicht van grondstations terug te kaatsen. Lageos-1 werd in 1976 gelanceerd. Lageos-2 vertrok in 1992. De satellieten draaien sindsdien rondjes om de aarde.

Wetenschappers schieten lasers naar de met spiegels bedekte satellieten en meten hoe lang het duurt voor hun signaal terugkeert. Met wat rekenwerk en metingen van verschillende plekken kunnen ze zo de positie van de satellieten precies vastleggen. Dat vertelt ze weer hoe de massa van de aarde is verdeeld. Onze planeet is geen gelijkmatige bal steen, maar heeft zware en lichte plekken. Dat werkt door in de zwaartekracht en dus in de satellietbanen van Lageos-1 en -2.

Lageos-1 en -2 zijn identiek: 405 kg. aan koper en aluminium, bedekt met 426 spiegeltjes om laserlicht van grondstations terug te kaatsen. Lageos-1 werd in 1976 gelanceerd. Lageos-2 vertrok in 1992. De satellieten draaien sindsdien rondjes om de aarde.

“Een van de moeilijkheden is het frame-drag effect te onderscheiden van de rest van de aardse zwaartekracht”, zegt Clifford Will in Nature. Will is natuurkundige aan de Washington Universiteit in St. Louis (VS) en lid van NASA’s Science Advisory Committee voor Gravity Probe B. De satellieten draaien door de onregelmatige zwaartekracht van de aarde geen perfecte cirkelbaantjes, maar versnellen en vertragen telkens.

Ciufolini en Pavlis gebruikten de zwaartekrachtskaart van de twee Grace-satellieten (Gravity Recovery And Climate Experiment, gelanceerd in maart 2002) om de oneffenheden in de zwaartekracht weg te filteren. Deze twee satellieten volgen elkaar in hun baan om de aarde en houden hun onderlinge afstand nauwkeurig bij. Elke versnelling betekent een ‘bobbel’ in de zwaartekracht en dus extra of minder massa onder de satellieten dan gemiddeld.

De massa van de aarde is niet eerlijk verdeeld; plekken van grote massa zijn rode uitsteeksels, stukken met een onder gemiddelde massa zijn blauw. bron: GRACE

“Redelijk nauwkeurig”

Ciufolini en Pavlis claimen in hun artikel dat hun gemeten Lense-Thirring-effect 99% van de voorspelde waarde is. Niet slecht, zou je zeggen – maar de twee moeten wel toegeven dat hun meting een foutenmarge van 10% heeft. Het komt erop neer dat hun meting ergens tussen 89% en 109% procent van de theoretische waarde zweeft. Zonder de Grace-kaart zou de marge 20% aan beide kanten zijn. “Dit is de eerste redelijk nauwkeurige meting van frame-dragging”, zegt Neil Ashby van de Universiteit van Colorado.

Ashby is nog vriendelijk. John Ries van de Universiteit van Texas is harder: hij betwijfelt of de Grace-modellen van de zwaartekracht wel gedetailleerd genoeg zijn om mee te zoeken naar subtiele effecten als frame-dragging. “De lasermetingen aan Lageos zijn in principe nauwkeurig genoeg, maar het is maar de vraag of de gebruikte Grace-modellen dat ook zijn.”

Het Gravity Probe B-team liet via Clifford Will weten dat zij ook hun twijfels hebben bij de resultaten van Ciuflioni en Pavlis. Volgens het concurrerende team hebben de twee hun meetfout drastisch onderschat – nette taal voor ‘slordig werk’. Naar verwachting zal Gravuty Probe B een nauwkeurigheid van maar liefst 1% van de meetwaarde halen. Dat mag ook wel: aan het project is 40 jaar gedacht en gesleuteld. Aan boord van de in april 2004 gelanceerde satellieten tollen vier perfect gladde kwartsbolletjes rond. Frame-dragging zorgt ervoor dat de draaias elke omloopbaan ietsje verschuift. Na een jaar is dat effect duidelijk meetbaar.

Eén van Gravity Probe B’s met niobium bedekte kwartsbollen en de behuizing. De bol is in werkelijkheid zo groot als een pingpongballetje. De bollen zijn extreem zuiver geslepen: als je ze zou uitvergroten tot het formaat van de aarde, zouden de hoogste bergen en diepste dalen maar 3 meter hoog zijn. bron: Stanford University

Waarom al die ophef over een draaikolkje van zwaartekracht? Frame-dragging is een van de ongeteste voorspellingen van Einstein’s akelig precieze theorie. Hét grote probleem van de moderne natuurkunde is dat haar twee grote theorieën – kwantum velden theorie voor subatomaire deeltjes en de algemene relativiteitstheorie voor grote massa’s, snelheden en zwaartekracht – elkaar bijten. De ART valt niet in kwantumvelden te berekenen en andersom. Daarom zoeken natuurkundigen naar barstjes in de beide theorieën. Zulke foutjes kunnen de weg wijzen naar een nieuwe, betere theorie.

Origineel artikel: Ciufolini I. & Pavils E. C. Nature, 431. 958 – 960 (2004).

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 oktober 2004

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.