Zwaartekrachtsgolven: een nieuwe blik op het heelal wordt mogelijk

Na de ontdekking enkele jaren geleden van het Higgsdeeltje waren wij op 11 februari 2016 andermaal getuige van uiterst belangrijk wetenschappelijk nieuws: “We get it!” was de laconieke aankondiging van de ontdekking op 14 september 2015 van zwaartekrachtsgolven. We beleven dus uitzonderlijke tijden: in enkele jaren tijd waren wij getuige van twee belangrijke ontdekkingen, waarvan men er normaal hoogstens enkele per eeuw mag verwachten…

Albert Einstein en de algemene relativiteitstheorie

In november 1915, dus net iets méér dan 100 jaar geleden, kwam Albert Einstein met een nieuwe theorie voor de dag, de algemene relativiteitstheorie. Deze theorie gaf een volledig andere invulling aan begrippen als ruimte, tijd en zwaartekracht, en ze voorspelde ook het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Deze zwaartekrachtsgolven vormden, als het ware, het sluitstuk van de relativiteitstheorie.

Maar zelfs Einstein was er niet van overtuigd dat men deze golven ooit zou kunnen waarnemen. De zwaartekracht is immers op zich een heel zwakke kracht. Door de recente ontdekking van zwaartekrachtsgolven kan men vanaf nu dus nog moeilijk voorbijgaan aan de waarachtigheid van de algemene relativiteitstheorie.

Zwaartekrachtsgolven

Wat zijn dat nu precies, deze zwaartekrachtsgolven (of gravitatiegolven)? Volgens de algemene relativiteitstheorie zijn ruimte en tijd onlosmakelijk met elkaar verbonden als één enkele ‘ruimtetijd’. Deze ruimtetijd is ook geen vast begrip. Elke massa zal de ruimtetijd veranderen, en deze verandering zal zich onder de vorm van een golf in de ruimtetijd voortplanten. Wij kunnen ons dit moeilijk voorstellen, maar mochten wij ons enkel beperken tot de dimensie ruimte, kan men het vergelijken met de golfbeweging die zich in de ruimte van het wateroppervlak voortplant wanneer men er een steen in gooit.

Men had wel in de jaren 1970 reeds op een onrechtstreekse manier het bestaan van golvingen in de ruimtetijd kunnen aantonen toen twee astronomen, Hulse en Taylor, een neutronenster en een pulsar hadden waargenomen die samen een dubbelstersysteem vormden. Ze ontdekten voor het eerst dat dit compact stersysteem door hun steeds maar snellere rotatie om elkaar heen massa verloren, waardoor hun omlooptijden afnamen. Dit massaverlies verklaarden ze door te veronderstellen dat de verdwenen massa werd omgezet in zwaartekrachtsgolven. Deze ontdekking bleek dus wel degelijjk een ernstige aanwijzing te zijn voor het bestaan van zwaartekrachtsgolven, en beide astronomen kregen voor deze ontdekking dan ook in 1993 de Nobelprijs natuurkunde.

Rechtstreekse waarneming

Zwaartekrachtsgolven rechtstreeks waarnemen was een ander paar mouwen. Hiervoor moet men op zoek gaan naar een hemelobject dat voldoende materie bevat om op Aarde waarneembare vervormingen van de ruimtetijd te kunnen veroorzaken. Zwarte gaten bleken de aangewezen objecten te zijn. Er werden er twee ontdekt die zeer vlug - verschillende malen per seconde - rond elkaar draaiden en op het punt stonden samen te smelten tot één gigantisch grote massa. Bij dergelijke fusie wordt een grote hoeveelheid massa onder de vorm van zwaartekrachtsenergie vrijgegeven, en deze energie veroorzaakt dan op haar beurt in de ruimtetijd een zodanige rimpeling die men die vanop de Aarde moest kunnen waarnemen.

De twee ontdekte zwarte gaten bevonden zich op een afstand van ongeveer 1,5 miljard lichtjaar van de Aarde en hun massa's bedroegen respectievelijk 29 en 36 keer de massa van de Zon. Door het samensmelten moesten de twee zwarte gaten een massa verliezen gelijk aan 3 keer de zonsmassa. Het is deze vervorming, veroorzaakt door de vrijgekomen zwaartekrachtenergie, die zich als een golf in de relativistische ruimtetijd heeft verspreid en die men op Aarde heeft kunnen meten.

De LIGO interferometer

Om deze zwakke zwaartekrachtsgolven op het spoor te komen heeft men beroep gedaan op een techniek die men interferometrie noemt. In de Verenigde Staten werd het project LIGO opgezet. LIGO bestaat uit twee interferometers, één in de staat Washington en een ander in de meer zuidelijk gelegen staat Louisiana. Deze interferometers, die uit twee diametraal op elkaar staande lange buizen van 4 km bestaan, hebben de minieme vervorming op de lengte van de buizen kunnen waarnemen die veroorzaakt werd door de vervorming van de ruimte.

Een dergelijke interferometer werkt concreet als volgt (zoals je kan zien op de afbeelding hieronder): vanuit een laserbron links wordt een laserstraal doorheen een eerste buis gestuurd. Waar de twee buizen elkaar kruisen wordt de laserstraal in tweeën gesplitst. Een eerste deel van de straal gaat rechtdoor terwijl een ander deel van de straal door de andere buis wordt gestuurd. In beide gevallen worden de laserstralen door spiegels die zich aan het uiteinde van de buizen bevinden teruggekaatst om uiteindelijk elkaar terug te vinden waar beide buizen elkaar kruisen. Daar kan men, met behulp van een fotodetector, de wijziging van hun interferentiepatroon bestuderen als gevolg van de veranderde lengte van de buis.

Het is een dergelijke wijziging in het interferentiepatroon, veroorzaakt door de fusie van twee zwarte gaten ver weg in het heelal, die op 14 september 2015 door Kip Thorne, Rainer Weiss en Ronald Drever werd waargenomen in de twee detectoren van Washington en Louisiana. Pas na grondige studie om zeker te zijn dat de gevonden resultaten wel degelijk door zwaartekrachtsgolven en niet door lokale storingen werden veroorzaakt, maakte het LIGO-team de resultaten op 11 februari 2016 wereldkundig.

European Gravitational Observatory

Nog dit jaar gaat ook een gelijkaardig Europees project van start, VIRGO, waarbij de interferometer in het Italiaanse Pisa staat.

Tekst: Emiel Beyens op 03/03/2016
Bron: LIGO Gravitational Wave Discovery