De ruimte rimpelt

 

nrc.nl/nieuws/2016/02/13/de-ruimte-rimpelt-1590019-a1298040


Bruno van Wayenburg


 

Het was 11.50:45 Nederlandse tijd op 14 september 2015, of eigenlijk anderhalf miljard jaar daarvóór. Diep in het heelal waren twee zwarte gaten al miljoenen jaren om elkaar heen aan het tollen, steeds sneller, steeds dichter bij elkaar. Totdat beide massaconcentraties – de één 29 zo zwaar als onze zon, en de ander 36 keer zo zwaar – elkaar té dicht waren genaderd. En een botsing onvermijdelijk was.


 

In dit filmpje wordt uitgelegd wat zwaartekrachtegolven zijn en hoe ze ontdekt zijn


 

Na een handvol laatste, dolgedraaide baantjes in 200 milliseconden smolten de giganten, elk zo groot als de provincie Zeeland, samen tot één zwart gat. Bij de botsing kwam heel kort vijftig keer meer energie vrij dan al het licht van alle sterren in het heelal. Bijna al die botsingsenergie ging zitten in de productie van zwaartekrachtgolven.


 

Zwaartekrachtgolven werden in 1916 voorspeld door Einstein, die een jaar eerder zijn Algemene Relativiteitstheorie had gepubliceerd. De vergelijkingen uit de theorie wezen uit dat veranderingen in de zwaartekracht rimpelingen in die ruimtetijd opwekken. Dat gebeurde, lang geleden, toen twee zwarte gaten botsten. Anderhalf miljard jaar lang reisden de ontstane rimpels door het heelal. Ze werden over een steeds groter gebied uitgesmeerd, en verzwakten.


 

Maar op die septemberochtend vorig jaar kwamen ze aan bij de aarde. Ze liepen er dwars doorheen. Ze werden alleen opgemerkt door twee detectoren, samen LIGO geheten: Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. De ene staat in Hanford, Washington, de ander in Livingston, Louisiana.


 

De detectoren van LIGO zijn stelsels van laserbundels die door vier kilometer lange vacuümbuizen lopen, en in trillingsvrij opgehangen spiegels terugkaatsen. De zwaartekrachtrimpeling deed de spiegels even schudden, maar een krachtige vibratie was het niet. Ze bewogen met een uitwijking van 1 attometer, een duizendste van de dikte van een atoomkern. Toch was het genoeg om de detectoren alarm te laten slaan. Het toeval wil dat ze na een vijf jaar durende upgrade net weer een paar dagen aanstonden.


 

Al gauw ging het bericht rond tussen de ruim 1.400 wetenschappers van LIGO en de Europese pendant Virgo,

een zwaartekrachtgolvendetector bij Pisa in Italië, die op dat moment een upgrade onderging. Eindelijk zijn er zwaartekrachtgolven gemeten! Daarna moest de waarneming nog uitgebreid worden geverifieerd, gecontroleerd, gemodelleerd. Uiteindelijk volgden publicatie in een vakblad en de grote bekendmaking.


 

Dat laatste gebeurde afgelopen donderdagmiddag, met persconferenties in Washington, het Italiaanse Cascina en bij onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. „We hebben voor het eerst zwaartekrachtgolven gedetecteerd”, mocht hoogleraar natuurkunde Jo van den Brand van het Nikhef eindelijk in het openbaar zeggen. De Nederlandse inbreng in de LIGO-Virgo-samenwerking is groot.


 

Deze bekendmaking sluit een periode af van vijftig jaar zoeken. Nu breekt het tijdperk van de zwaartekrachtgolvenastronomie aan.


 

Een uitleg, aan de hand van vier vragen over zwaartekrachtgolven. 1Wat zijn zwaartekrachtgolven?

De zwaartekracht is de aantrekkende kracht tussen twee massa’s. Hoe groter een massa, hoe groter zijn aantrekkingskracht. De massa’s kunnen zwarte gaten zijn, maar ook de aarde en de zon, of een appel die uit een boom naar de aarde valt.


 

Isaac Newton beschreef in 1687 al hoe die kracht sterker wordt naarmate de afstand tussen de massa’s kleiner wordt. Maar hoe de ene massa op miljoenen kilometers afstand ‘weet’ van de andere, dat werd pas duidelijker met Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie uit 1915.


 

Tot dan toe werden ruimte en tijd gezien als een passief schouwtoneel waarop de echte natuurkunde zich afspeelde. Maar in Einsteins formules werden het actieve medespelers. Tijd en ruimte kunnen krimpen, rekken, buigen en dus ook trillen.


 

Een concentratie van massa, aldus Einsteins vergelijkingen, kromt de ruimtetijd ter plaatse, als een bowlingbal op een rubbervel. De zwaartekracht is daarvan een direct gevolg. De aarde ‘denkt’ dat ze gewoon een recht pad door de ruimtetijd volgt, maar het ruimtetijdputje van de zon maakt daar ellipsbaantjes van.


 

Veranderingen in die kromming veroorzaken rimpelingen. Stel, hypothetisch, dat er in ons zonnestelsel nog een ster aankomt, en de zon plotseling een dubbelster wordt. Of dat de zon plotseling zou opsplitsen in twee sterren. Dat zal het patroon van de kromming veranderen, en geeft rimpelingen. Die verspreiden zich over de ruimte, als golven in een vijver.


 

Die rimpelingen zijn zwaartekrachtgolven. Einstein voorspelde ze in 1916, maar dacht dat ze wel nooit te detecteren zouden zijn. Zelfs de extreem krachtige golven van botsende zwarte gaten leiden tot een minimale vervorming, te vergelijken met de verhouding van een haardikte ten opzichte van de vier lichtjaar afstand tot de dichtstbijzijnde ster.


 

Lang leek het onmogelijk om zo’n miniem effect te detecteren. In de jaren zestig begon de Amerikaanse natuurkundige Joseph Weber experimenten met trillingsvrij opgehangen metalen staven, die als een soort stemvork aan zouden moeten slaan op een passerende zwaartekrachtgolf. Ook in Italië werden staafdetectoren gebouwd, en aan de Universiteit Leiden werkte Giorgio Frossati aan een heliumgekoelde, bolvormige variant.

Maar behalve een reeks valse alarms hebben deze detectoren nooit golven kunnen detecteren.


 

Het eerste indirecte bewijs van het bestaan van zwaartekrachtgolven leverden de astronomen Russell Hulse en Joseph Taylor in 1974, met metingen aan de dubbele neutronenster PSR1913+16, twee neutronensterren die snel om elkaar heendraaien. Volgens Einsteins theorie zouden ze daarbij zwaartekrachtgolven moeten uitzenden. De metingen van Hulse en Taylor lieten zien dat de omwentelingsperiode afneemt met 76,5 microseconden per jaar, wat precies klopt met het voorspelde energieverlies door zwaartekrachtgolven.


 

Hulse en Taylor kregen in 1993 de Nobelprijs voor dit indirecte bewijs, maar de huidige LIGO-detectie is veel directer: de minieme vervorming die een zwaartekrachtgolf opwekt is nu direct gemeten. De Nobelprijs voor natuurkunde zal de nog levende grondleggers van LIGO, de natuurkundigen Kip Thorne, Ron Drever en Rai

Weiss, dan ook hoogstwaarschijnlijk niet ontgaan.


 

  1. Hebben ze een verband met het Higgs-boson of met supersnaren?


     

    Uiteindelijk wel, maar heel indirect. Zwaartekracht, de kracht waardoor we vallen, is de herkenbaarste van de vier fundamentele natuurkrachten, maar ook de kracht die zich het moeizaamst verhoudt tot de andere natuurkrachten.


     

    Naast de zwaartekracht is er de elektromagnetische kracht, de kracht van koelkastmagneten en elektrische schokken, maar ook de kracht die licht en alle interacties tussen atomen en moleculen bepaalt. Dan zijn er nog de zwakke en de sterke kernkracht, die vooral een rol spelen binnen de kernen van atomen.


     

    Decennia van experimenteren in deeltjesversnellers als de Large Hadron Collider van CERN (en veel nadenken door theoretisch natuurkundigen) hebben een quantummechanische beschrijving opgeleverd van deze drie krachten. Dit heet het ‘Standaardmodel’, en beschrijft hoe tientallen verschillende elementaire deeltjes met elkaar wisselwerken. De krachten tussen deeltjes worden overgebracht door speciale boodschapperdeeltjes.

    Voor de elektrische kracht zijn dat bijvoorbeeld fotonen of lichtdeeltjes. Het Higgs-boson, een elementair deeltje dat in 2012 gevonden werd, is het laatste ontbrekende puzzelstuk van het Standaardmodel.


     

    Er is één probleem: Einsteins beschrijving van de zwaartekracht past slecht bij het Standaardmodel. Het liefst zouden natuurkundigen de weerspannige kracht inpassen in een overkoepelend raamwerk, waarin alle vier de krachten verschijningsvormen zijn van één oerkracht. Deze Theorie van Alles (de naamgeving is een typisch staaltje natuurkundigenarrogantie) zou de natuur op zijn allerfundamenteelst beschrijven. Maar alle pogingen tot het formuleren van een quantummechanische zwaartekracht zijn tot nog toe gestrand. De populairste kandidaat- theorie, die van de supersnaren, heeft na decennia van wiskundig steeds geavanceerdere herformuleringen, nog steeds geen concrete voorspellingen opgeleverd.


     

    Aan experimentele gegevens is een groot gebrek, doordat de zwaartekracht extreem zwak is. Op de schaal van botsingen in deeltjesversnellers speelt de zwaartekracht geen rol en andersom zijn bij bewegende planeten en sterren – de schaal waar Einsteins theorie in zijn element komt – elementaire deeltjes weer niet te onderscheiden.


     

    Ook de LIGO-detectie gaat daarin niet meteen verandering brengen. Zo is het graviton, dat is het (hypothetische) fundamentele boodschapperdeeltje dat bij zwaartekracht hoort, nog weer veel lastiger, zo niet onmogelijk, direct in het wild te betrappen.


     

    Toch weten we er, dankzij de LIGO-detectie, al wel iets meer over. Het opgevangen signaal van de zwaartekrachtgolven van de fuserende zwarte gaten heeft meerdere frequenties, die allemaal precies tegelijk aankwamen op aarde. Dat betekent dat ze allemaal met dezelfde snelheid reisden, de lichtsnelheid, en dat houdt weer in dat het graviton zelf, geen massa heeft. Of, zoals de altijd voorzichtige LIGO-natuurkundigen het stellen: het graviton weegt maximaal 10-58 kilogram.


     

    Nog een mogelijk route naar quantumzwaartekracht loopt via de oerknal, de geboorte van het heelal 13,7 miljard jaar geleden. Veel daarover weten we dankzij de kosmische achtergrondstraling. Deze ‘babyfoto van het heelal’ ontstond 300.000 jaar na de geboorte, op het moment dat het heelal doorzichtig werd voor licht.


     

    Het licht van toen zwerft nog altijd door de ruimte in de vorm van microgolfstraling, en is inmiddels tot in detail vastgelegd door bijvoorbeeld de Europese satelliet Planck. Ook voor zwaartekrachtgolven moet er zo’n moment zijn, maar dan afkomstig van fracties van een seconde na de oerknal, toen de invloed van quantummechanische effecten groot was.


     

    Onderzoekers van BICEP2, een telescoop voor microgolven op Antarctica, dachten in 2014 indirecte sporen van deze ‘oerzwaartekrachtgolven’ gemeten te hebben, maar uiteindelijk bleek stof in het nabijere heelal een betere verklaring.


     

    De hoop is nu dat LIGO, Virgo en geplande opvolgers deze zwakke zwaartekrachtgolven wel in beeld kunnen brengen, en zo een glimp opvangen van de zeer gewilde combinatie van quantummechanica en zwaartekracht.

  2. Kunnen we nu meer ontdekkingen op dit gebied verwachten?


     

    „Dit is nog maar het begin”, meldde natuurkundige Jo van den Brand van het Nikhef in Amsterdam enthousiast. Als de detectoren van LIGO langer aan blijven staan, en als ook de Europese detector Advanced Virgo later dit jaar online komt, zullen er ongetwijfeld meer detecties volgen. Door de signalen van LIGO en Virgo te combineren, worden ze duidelijker. Ook zal met drie detectoren de plaats aan de hemel waar het signaal vandaan komt beter uitgepeild kunnen worden, zodat astronomen met hun telescopen kunnen kijken of daar iets te zien valt.


     

    Verder is de Europese ruimtevaartorganisatie ESA van plan om in 2034 eLISA te lanceren, een drietal identieke ruimtesondes die met onderlinge afstanden van een miljoen kilometer laserbundels op elkaar schijnen, en zo kleine afwijkingen detecteren. eLISA zal veel gevoeliger zijn dan LIGO en Virgo, en bovendien in een veel lager frequentiegebied. Het instrument zal naar verwachting dagelijks zwaartekrachtgolven oppikken. Een testmissie, Lisa Pathfinder, werd in december 2015 gelanceerd.


     

    En dan zijn er nog de, nog niet gefinancierde, plannen voor de Einstein Telescope, een ondergrondse detector voor zwaartekrachtgolven met armen van 10 kilometer. Als een van de mogelijke locaties is vorig jaar Limburg geopperd. Tezamen moeten deze instrumenten een stroom van detecties opleveren, zodat bijvoorbeeld duidelijk wordt hoe vaak botsende zwarte gaten nu voorkomen.


     

    Inmiddels zijn er in de eerste meetperiode van de vernieuwde LIGO, die tot begin januari duurde, twee kandidaat-signalen langsgekomen. Eentje bleek vals alarm, de andere is nog in onderzoek.


     

    Aan de hand van de huidige metingen kan de Algemene Relativiteitstheorie al veel strenger getest worden dan tot nu toe mogelijk was, maar ook andere soorten botsingen staan op het verlanglijstje: tussen extreem dichte neutronensterren en tussen zwarte gaten en neutronensterren bijvoorbeeld. Supernova’s, exploderende sterren, zenden vermoedelijk ook zwaartekrachtgolven uit, maar nog niet duidelijk is hoe krachtig die zijn.


     

    Ook is nu de jacht geopend op de oerzwaartekrachtgolven (zie de vorige vraag). En dan zijn er nog exotischer objecten, zoals de kosmische snaren (niet te verwarren met supersnaren) uit sommige kosmologische modellen. Dat zijn een soort sliertvormige kristaldefecten in de ruimtetijd. Als die met zichzelf kruisen, levert dat een krachtige puls van zwaartekrachtgolven met een specifiek patroon op.


     

    Natuurlijk is er ook altijd de hoop op iets totaal onverwachts, een nieuw verschijnsel dat de natuurkunde of sterrenkunde op zijn kop kan zetten.


     

  3. Hoeveel heeft het onderzoek gekost en wat hebben we er verder aan?


 

De laatste upgrade naar Advanced LIGO kostte de Amerikaanse belastingbetaler 200 miljoen dollar, waarmee het totale prijskaartje op 620 miljoen dollar komt. In Virgo, de enkele Europese detector bij Pisa, waarin Nederland een van hoofdpartners is, gaan vergelijkbare bedragen om. Honderden wetenschappers zijn erbij betrokken. De detectie van zwaartekrachtgolven is Big Science. Maar waar is het allemaal goed voor?


 

Het wetenschappelijke antwoord is dat we onze kennis van het heelal en de fundamentele natuurkunde uitbreiden: we zullen meer weten over de Algemene Relativiteitstheorie, zwarte gaten, neutronensterren, supernova's, en de oerknal. De queeste naar kennis, kortom.


 

En voor wie liever een economisch antwoord heeft: Big Science steunt technologische bedrijven, met opdrachten, maar ook met nieuwe technieken en uitvindingen. Instituten als Virgo of de toekomstige Einstein Telescope trekken slimme werknemers, met ideeën die onverwachte toepassingen kunnen hebben. Beroemd voorbeeld is het world wide web, ooit ontwikkeld aan deeltjesfysica-instituut CERN om interne documenten te delen.


 

Wie dat nog steeds te vaag en te weinig specifiek vindt: al het onderzoek naar zwaartekrachtgolven heeft inmiddels technologische spin-offs opgeleverd. Zoals Innoseis, specialist in seismische detectietechnieken die bij Nikhef zijn ontwikkeld en nu op de markt worden gebracht.

Animatiefilmpje Uitleg en helderheid

Bruno van Wayenburg maakte ook een mooi en helder animatiefilmpje waarin hij uitlegt wat zwaartekrachtgolven zijn en hoe ze ontdekt konden worden. Het is te vinden op vimeo.com (zoek op gravitatiegolven) en via nrc.nl\zwaartekrachtgolven