Het vervolg van de zwaartkrachtgolf

De detectie van zwaartekrachtsgolven heeft fascinatie opgeroepen bij lezers, maar ook vragen. Bijvoorbeeld over laserbundels en de Gamma Ray Burst. Vijf vragen en antwoorden.

Tekening van de zwaartekrachtgolven zoals die geproduceerd zouden kunnen worden door twee dwergsterren. Illustratie Nasa

Het was vorige week groot nieuws: zwaartekrachtgolven bestaan. Einstein had ze al voorspeld en de Amerikaanse zwaartekrachtgolvendetector LIGO heeft ze gedetecteerd. Er kwamen met wetenschappelijke artikelen over de doorbraak in het vakblad Physical Review Letters. Ook in algemene media viel van alles te lezen over de zwaartekrachtgolven. Dat ze afkomstig zijn van twee elkaar verzwelgende zwarte gaten op 1,5 miljard lichtjaar afstand – ver buiten ons sterrenstelsel. Dat ze zijn gemeten met behulp van laserstralen in een lange buis.

Deze krant deed ook uitgebreid verslag. De artikelen riepen bij de lezers weer vragen op, interessante vragen. Hieronder vijf daarvan, voorzien van antwoorden.

1 Hebben de golven niet ook effect op de laserstralen die door de buizen heen en weer gaan?

De laserbundels in de armen van LIGO werken als een soort liniaal om een minieme oprekking van de ruimte zelf te meten. Maar als de liniaal zelf evenveel meerekt, valt er natuurlijk niets te meten. Of wel? LIGO-natuurkundige Peter Saulson wijdde een artikel in American Journal of Physics aan deze vraag, die ook de ontwerpers zich gesteld hebben.

Stel dat er een zwaartekrachtsgolf langskomt die de ruimte, en daarmee een arm van de detector, oprekt. Dan wordt dus ook de bundel laserlicht die op dat moment in de buis zit met dezelfde factor opgerekt. Maar tijdens de slingering blijft de laser lichtgolven in de LIGO-arm pompen (de gemeten zwaartekrachtsgolven duren per stuk minimaal 1/100 seconde, veel langer dan de verblijfsduur van afzonderlijke lichtgolven in de detector).

Hoe de ruimte ook rekt, de lichtsnelheid is altijd constant. Dat de spiegel door de passerende zwaartekrachtsgolf even iets verder hangt, betekent dus dat die lichtgolven iets later terugkomen. „Misschien is het beter om te zeggen dat we de laser als een klok gebruiken, dan dat we het licht als liniaal gebruiken”, concludeert Saulson zijn artikel.

2 Hoe kan van één enkel zwak signaaltje zo precies worden aangegeven hoe en wanneer het ontstond? Waarom waren het geen kleinere zwarte gaten die veel dichterbij stonden? Nu lijkt het alsof er een klant-en-klare theorie lag te wachten.

Er lag een theorie te wachten: Einsteins Algemene Relativiteitstheorie. Het gemeten (tamelijk duidelijke) signaal, dat snel in frequentie en amplitude toeneemt, en daarna snel uitdooft, is een chirp (frequentieprofiel).

Het is precies wat die theorie voorspelt voor twee massa’s die om elkaar heen tollen (in dit geval zwarte gaten). Ze zenden daarbij steeds krachtiger zwaartekrachtsgolven uit, waardoor het stelsel energie verliest, en de massa’s elkaar steeds dichter naderen. Dat gaat door tot de massa's op elkaar botsen, er één massa overblijft, die nog even natrilt.

De vorm van het signaal past heel precies in de theorie”, zegt astronoom Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit, die bij de LIGO-analyse betrokken was.

Uit alleen die frequentie, en de snelheid waarmee die toeneemt, valt de chirp mass van 30 zonsmassa’s te berekenen: een ruwe indicatie van de afzonderlijke massa’s (de preciezere massa’s, 29 en 36 zonsmassa’s, zijn berekend door het het model met de data te fitten).

De massa’s blijven om elkaar heen cirkelen tot ze met 75 omwentelingen per seconde om elkaar tollen. Als het om neutronensterren zou gaan, met een lagere dichtheid dan zwarte gaten, zouden ze elkaar eerder raken. Nelemans; „Dan zou de frequentie niet zo ver oplopen. Dus moeten het wel zwarte gaten zijn.”

En in al deze overwegingen is de sterkte van het gemeten signaal nog niet ter sprake gekomen is. Die neemt af met het kwadraat van de afstand. Uitgaande van de al bepaalde massa’s, levert de sterkte van het gemeten signaal een schatting op van de afstand: 1,4 miljard lichtjaar.

Nelemans: „Maar dat is een tamelijk grove schatting, met een foutmarge van bijna een miljard lichtjaar. Dat komt vooral doordat we niet weten of de golf loodrecht op de detectoren viel, of onder een schuine hoek.”

3 Wat heeft het voor zin om bewijzen te zoeken voor een 100 jaar oude theorie waaraan kennelijk niemand twijfelt?

De Algemene Relativiteitstheorie is overtuigend door zijn conceptuele en wiskundige elegantie, maar vooral omdat tot nog toe alle voorspellingen netjes zijn uitgekomen. Toch is de theorie nog niet heel stevig op de proef gesteld, zeker niet in omstandigheden waar de uitkomsten sterk zouden moeten afwijken van de Newtonse mechanica of de Speciale Relativiteitstheorie (die wél zeer stringent getest is).

Daarom zijn de metingen van LIGO zeker interessant voor natuurkundigen. Maar ook astronomen en kosmologen hebben belang bij metingen, omdat metingen meer kunnen vertellen over de zwaartekracht in het (vroege) heelal.

4 Betekent deze ontdekking dat de pas gelanceerde Europese LISA-Pathfinder overbodig is?

LISA Pathfinder, gelanceerd op 3 december 2015, is geen zwaartekrachtsgolvendetector, maar een testmissie ter voorbereiding op de ruimte-zwaartekrachtsgolvendetector eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna); de geplande lancering is in 2034. eLISA bestaat uit drie identieke satellieten in een driehoeksconfiguratie met zijden van een miljoen kilometer lang, die laserbundels uitwisselen. De detector zal gevoelig zijn voor veel tragere zwaartekrachtsgolven dan LIGO, bijvoorbeeld afkomstig van de superzware zwarte gaten van duizenden tot miljarden zonsmassa’s die in de kern van veel sterrenstelsels schuilen.

eLISA zal meerdere detecties per dag moeten doen, en daarmee meer een observatorium zijn voor zwaartekrachtsgolven, dan een detector.

5 Hoe zit het met die Gamma Ray Burst die kort na het signaal is waargenomen?

Op 14 september 2015, 0,4 seconden na het LIGO-signaal, mat de ruimtetelescoop Fermi een puls gammastraling uit ruwweg dezelfde richting aan de hemel. Dat maakten Fermi-onderzoekers in een (nog niet peer reviewed) artikel op de NASA-website. De vraag is natuurlijk of de twee iets met elkaar te maken hebben. De botsende zwarte gaten zelf bestaan niet uit gewone materie, en kunnen daarom geen gammastraling opgewekt hebben, alleen zwaartekrachtstraling.

Wel kunnen zwarte gaten een accretieschijf verzamelen; een Saturnus-achtige ring van gewone materie die eventueel via extreme versnellingen tot gammastralingspulsen kan leiden.

„Maar bij zwarte gaten van deze massa verwachten we dat niet”, zegt Nelemans, „al verschijnen er nu al papers over manieren waarop dat toch zou kunnen.” Nelemans vindt de samenhang, pas achteraf ontdekt in de Fermi-data, niet heel overtuigend. Maar er is maar één manier om meer zekerheid te krijgen over het verband tussen de twee gebeurtenissen, zegt Nelemans: „Nog meer detecties.”