Je leest:

Tollen met Einstein

Tollen met Einstein

Auteur: | 7 april 2004

Wetenschappers zijn kritisch – na bijna negentig jaar proberen ze nog steeds fouten in de relativiteitstheorie te vinden. Op 19 april wordt de satelliet Gravity Probe B gelanceerd. Die gaat met ongekende nauwkeurigheid de ruimtetijd om onze planeet in kaart brengen. Het doel: onderzoeken hoe goed Einstein’s voorspellingen kloppen.

Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (ART) klopt na bijna negentig jaar nog als een bus. Afgebogen licht, zwarte gaten, roodverschoven fotonen, tijdrek en lengtekrimp…tot nu toe zijn er geen fouten in ontdekt. Sinds Einstein praten natuurkundigen over ruimte en tijd als een geheel. Grote massa’s kunnen de ruimtetijd uitrekken en vervormen. Daardoor beinvloeden ze afstanden, omloopbanen en tijdintervallen in hun omgeving.

Eén voorspelling is nog niet direct getest: frame-dragging. De satelliet Gravity Probe B zal vanaf 19 april onderzoeken of onze eigen aarde dat meeslepende effect heeft op haar omgeving. Met vier gyroscopen wordt twee jaar lang gekeken hoe de ruimtetijd om zich op 640 km. boven ons hoofd kromt. Gravity Probe B zou eerst op 17 april worden gelanceerd, maar door een technisch probleem is de lanceerdatum twee dagen verschoven.

Een technicus inspecteert het kristallen binnenwerk van Gravity Probe B op haarscheurtjes.<br/ > bron: Stanford University

Gravity Probe B is, 40 jaar nadat NASA de eerste dollars erin stak, nog stééds een ambitieus project. Einstein’s theorie is een verbetering van Newton’s wet van de zwaartekracht, maar alleen bij extreme massa’s als zwarte gaten wordt het verschil goed duidelijk. Om de ART-effecten van onze kleine aarde meten, is absurd nauwkeurige apparatuur nodig. Tijdens het jarenlange ontwerpproces is heel wat keren gevraagd of het wel mógelijk was, zo’n nauwkeurige meting uitvoeren. De ontwikkelde technieken worden nu in allerlei andere onderzoeksgebieden toegepast. Wat gaat Gravity Probe B eigenlijk meten, hoog boven ons hoofd?

beschrijven hoe ruimtetijd reageert op massa. Een massa als de zon vervormt de ruimtetijd als een zware bowlingbal een oneindig rekbaar vel rubber. Zou je een sinaasappel over de matras rollen, dan wordt die door de holte afgebogen: “zwaartekracht buigt de sinaasappel af,” volgens Newton. Zelfs licht wordt zo afgebogen, ook al weegt een foton niets!

Einstein’s formules beschrijven hoe ruimtetijd reageert op massa. Een massa als de zon vervormt de ruimtetijd als een zware bowlingbal een oneindig rekbaar vel rubber. Zou je een sinaasappel over de matras rollen, dan wordt die door de holte afgebogen: “zwaartekracht buigt de sinaasappel af,” volgens Newton. Zelfs licht wordt zo afgebogen, ook al weegt een foton niets! bron: NASA

Gyroscopisch

Gravity Probe B meet de ruimtetijd met ultragevoelige tolletjes. Aan boord van de satelliet zijn vier bollen van kwarts met een dun niobiumlaagje. De bollen zijn enorm zuiver geslepen: als je ze zou uitvergroten tot het formaat van de aarde, zou de hoogste ‘berg’ nog geen drie meter hoog zijn. Ze kunnen vrij rondtollen in komvormige houders.

Eenmaal in de ruimte richt de satelliet zich op de ster IM Pegasi en worden de kwartsbollen als kleine tolletjes in draaiing gebracht. Ze werken dan als gyroscopen. Die houden hun draaias altijd in dezelfde stand, tenzij er van buitenaf krachten op werken.

In zijn omloopbaan is Gravity Probe B gewichtsloos: de apparatuur aan boord voelt helemaal geen zwaartekracht. En alle andere storende krachten zijn zeer zorgvuldig buiten de deur gehouden. De gyroscoopassen blijven daarom altijd in dezelfde stand staan. Tenminste, dat is wat Newton’s bewegingsleer je vertelt. Einstein’s theorie is veel preciezer en voorspelt dat de assen elke omloopbaan iets zullen verschuiven.

Eén van de niobium-bedekte kwartsbollen en zijn behuizing. De bol is in werkelijkheid zo groot als een pingponballetje. bron: Stanford University

Newton tegen Einstein

“De belangrijkste afwijking is geodetische precessie, dat heb je rond elke grote massa,” legt prof. Peter Hoyng van het SRON en docent ART aan de universiteit Utrecht uit. In de ART worden zulke massa’s beschreven met de Schwarzschild-metriek. Als je in die metriek een cirkelbaan uitvoert dan sta je na afloop in een nét iets andere richting te kijken.

Het tweede effect, Lense-Thirring precessie, komt door de draaiing van de aarde om haar as. Door de draaiing van de aarde vervormt de Schwarzschild-metriek tot de zogenaamde Kerr-metriek: de ruimtetijd wordt door de draaiing meegesleept in een proces dat ook wel frame-dragging heet. De gyroscopen aan boord van de satelliet krijgen door de Lense-Thirring precessie een éxtra afwijking bovenop de geodetische precessie.

Bijna alles in het heelal tolt om zijn as – wat als de bowlingbal op het vel rubber ook om zijn as tolt? Het materiaal er vlak onder probeert dan zo goed als mogelijk mee te bewegen. Een bowlingbal zou op een gegeven moment slippen, maar ruimtetijd om een snel draaiende massa wordt meegetrokken en uitgerekt. Rechte lijnen krommen zich als in een draaikolk. Bij deze neutronenster is dat schematisch aangegeven. bron: NASA / JPL

In de looptijd van het experiment groeit die afwijking: na een jaar moet er een klein verschil met de originele stand te zien zijn. De verwachtte hoekverschuiving van de assen: 6614,4 milliboogseconde door de geodetische en 40,9 door de Lense-Thirring precessie. Dat laatste hoekverschil is minuscuul: als je 100 kilometer lang met zo’n helling zou klimmen, stijg je iets meer dan anderhalve centimeter. Om de stand van de gyroscopen te meten worden ze sterk afgekoeld. Daardoor worden ze supergeleidend en wekken ze een klein magnetisch veldje op: het London magnetisch moment, voorspeld door Fritz London in 1948. Dat magneetveld loopt parallel aan de as van de gyroscoop en is heel precies te meten.

Verrassing of niet?

Wat gebeurt er als Gravity Probe B laat zien dat het effect van frame-dragging helemaal niet bestaat, of een paar keer zo groot is als verwacht? “De eerste reactie is natuurlijk om te kijken of de satelliet wel in orde is,” merkt Hoyng op. Als de gemeten geodetische precessie niet klopt, is het vrijwel zeker dat er iets mis is met de satelliet. “Als de gemeten Lense-Thirring precessie afwijkt van de voorspelde, wordt het interessant. Eerst wordt er dan natuurlijk geroepen om een bevestiging van de meting.” Het zou in ieder geval opmerkelijk zijn: de hele theorie vormt één geheel, en is voor allelei andere tests met vlag en wimpel geslaagd. Het zou wel heel raar zijn als dit kleine stukje niet klopte. Extra tests zijn dan zeker nodig.

Probleem is, dat er al nauwelijks fondsen waren voor Gravity Probe B: het project werd een aantal maal bijna stopgezet door budgetproblemen bij NASA. “Misschien is er wat extra levensduur uit de satelliet te halen,” speculeert Hoyng: “het hangt allemaal af van het Dewar-vat [de koeling waarin het experiment zit, gevuld met vloeibaar helium van 2,3 Kelvin]. Als dat minder snel leeglekt dan voorzien – en dat is in het verleden regelmatig voorgekomen – kan de satelliet langer meten.” Hervullen met een shuttle-missie zal met de huidige problemen wel geen optie zijn. De space shuttle-missies worden sterk teruggeschroefd om geld vrij te maken voor de Mars-plannen van de Amerikaanse president Bush. Ook de Hubble-telescoop lijdt daaronder, omdat een geplande onderhoudsbeurt nu niet door kan gaan.

Assemblage bij Lockheed. Gravity Probe B is one of a kind: fondsen om een tweede te bouwen zijn er nog niet en een shuttle-missie om de levensduur te verlengen zit er ook niet in. bron: Stanford University.

Alternatieven

Gravity Probe B is niet de enige manier om de ART onder de loep te nemen. “Het experiment is in de loop der jaren een beetje in belang gezakt,” volgens Hoyng: metingen aan dubbelpulsars en andere experimenten om gravitatiegolven te meten hebben de toekomst.

Gravitatie- of zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd, opgewekt door heftige bewegingen van grote massa’s. Ze zijn nooit direct waargenomen, maar bewijs is er zeker voor. Zo is er onderzoek gedaan aan de dubbelpulsar PSR 1913+16. Die twee neutronensterren tollen om elkaar en verliezen daarbij energie aan de opgewekte gravitatiegolven.

Twintig jaar onderzoek heeft laten zien dat de pulsars in de loop der tijd iets sneller zijn gaan bewegen. Naarmate de pulsars minder energie krijgen, ‘vallen’ ze naar elkaar toe: ze draaien op steeds kortere afstanden en steeds sneller om elkaar. Uiteindelijk zullen de twee op elkaar botsen. Het energieverlies komt prachtig overeen met de voorspellingen van de ART en vormt een indirect bewijs voor gravitatiegolven.

Impressie van de gravitatiegolven rond dubbelpulsar PSR 1913+16. De twee neutronensterren draaien om elkaar heen en wekken daarbij zwaartekrachtsgolven op. Daardoor verliezen ze energie en gaan steeds iets langzamer om elkaar draaien. bron: The Space Place

Een manier om gravitatiegolven te meten én de ART te testen zijn grote interferometers zoals in het LISA-project (Laser Interferometer Space Antenna) van NASA en ESA. Een langskomende gravitatiegolf vervormt de ruimte een klein beetje, en verkort of verlengt zo de laserbundels tussen de drie satellieten van LISA. “Over een paar jaar zal LISA golven met een periode van een uur kunnen zien,” voorspelt Hoyng, “dat is genoeg om samensmeltende zwarte gaten in melkwegkernen mee te zien.” Zo’n proces heeft een goed te voorspellen ‘vingerafdruk’ en kan in principe in allerlei sterrenstelsels voorkomen: genoeg testmateriaal dus!

In Nederland wordt op een heel andere manier naar gravitatiegolven gezocht: het Leidse MiniGrail-project werkt met een gekoelde metalen bol. Langskomende gravitatiegolven vervormen die bol en brengen hem in trilling. Als MiniGrail eenmaal werkt, kan hij volgens berekeningen de golven van asymmetrische neutronensterren of botsende zwarte gaten waarnemen.

LISA, een interferometer in de ruimte: het experiment zal op zoek gaan naar rimpelingen in de ruimte-tijd. bron: NASA / JPL

Spin-off van spinnend kwarts

Of Gravity Probe B nou alleen maar zal bevestigen dat de ART klopt of juist aan zal geven dat er een foutje in de theorie zit, weet nog niemand. Maar het experiment staat niet los van ander onderzoek, want toen het project werd opgestart, was de benodigde techniek nog lang niet voorhanden. Die is in de loop der jaren ontwikkeld; cryogene technieken waar bij een paar graden boven het absolute nulpunt wordt gewerkt en supernauwkeurige gyroscopen vinden overal toepassingen. Kennis die is opgedaan bij het ontwerp van het positioneringsysteem (nauwkeurig tot op de centimeter!) wordt toegepast in automatische piloten. Een aardige prestatie voor vier tollende knikkers!

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 april 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.