George Beekman
 

WETENSCHAPPERS RUZIËN OVER DE SNELHEID VAN DE ZWAARTEKRACHT
 

Breidt de zwaartekracht zich uit met de snelheid van het licht? Ja, viel begin dit jaar in Seattle te beluisteren. Inmiddels is over de toen gepresenteerde meting een controverse gerezen.

Afgelopen januari maakten twee Amerikaanse astronomen bekend voor het eerst de snelheid van de zwaartekracht te hebben gemeten. Deze zou, zoals verwacht, gelijk zijn aan de snelheid van het licht. Sergei Kopeikin (University of Missouri) en Ed Fomalont (National Radio Astronomy Observatory) hadden deze snelheid september vorig jaar afgeleid uit de afbuiging van radiostraling van een verre quasar in het gravitatieveld van de planeet Jupiter. Vakgenoot Clifford Will (Washington University, Montana) meent echter dat het tweetal er met hun theorie en metingen helemaal naast zit. Kopeikin kaatst de bal terug met de bewering dat het juist Will is er niets van snapt. Terwijl de opponenten elkaar met vermeende fouten om de oren slaan, vragen de redacties van enkele vakbladen zich af in welk wespennest ze zijn beland.

Algemeen wordt aangenomen dat de zwaartekracht tijd nodig heeft om zich over een afstand te doen gelden, dus een eindige snelheid heeft. Ook een verandering van de zwaartekracht, bijvoorbeeld door de snelle beweging van een grote massa, zou zich met een bepaalde snelheid voortplanten. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat dit gebeurt via golven die even snel gaan als lichtgolven, 300.000 km per seconde. Tot nu toe is dat niet experimenteel getoetst. De enige aanwijzing voor het bestaan van gravitatiegolven komt van de dubbelsterpulsar PSR 1913+16. Het kleiner worden van de omloopbaan van deze twee neutronensterren valt precies te verklaren met het verlies van energie door gravitatiegolven.

afbuiging

Een andere voorspelling van de relativiteitstheorie is dat elektromagnetische golven in het gravitatieveld van een hemellichaam een klein beetje van hun rechte weg worden afgebogen. Die afbuiging werd voor het eerst in 1919 ruw gemeten bij sterren rond een totaal verduisterde zon en sinds de jaren zeventig vele orden van grootte nauwkeuriger bij kosmische radiobronnen en ruimtesondes. Hun radiogolven, opgevangen door telescopen die op zeer grote afstanden van elkaar staan, worden aan de rand van de zon over een hoekje van 1,75 boogseconde afgebogen en komen hierdoor 70 microseconden `vertraagd' op aarde aan.

Momenteel kunnen astronomen met behulp van radio-interferometers met zeer lange basislengten (VLBI) afbuigingen in de orde van microboogseconden en vertragingen in de orde van picoseconden meten. Bij die nauwkeurigheid komt een secundair gravitatie-effect om de hoek kijken: dat van de beweging van het gravitatieveld waar de straling doorheen snelt. Sergei Kopeikin, een Amerikaans theoretisch fysicus van Russische afkomst, heeft dit secundaire effect in de jaren negentig bestudeerd en relativistische vergelijkingen ontwikkeld om het te kunnen beschrijven.

In juli 2001 poneerde Kopeikin in een artikel in de Astrophysical Journal dat dit secundaire effect ook zou kunnen worden aangewend voor het meten van de snelheid van de zwaartekracht. Deze snelheid zou, bij een bewegend gravitatieveld, ook een effect moeten hebben op de afbuiging van straling: een extra, `dynamische' afbuiging in de bewegingsrichting van het gravitatieveld. Op 8 januari dit jaar maakten Kopeikin en zijn collega Ed Fomalont tijdens een bijeenkomst van de American Astronomical Society in Seattle bekend dit effect te hebben gemeten toen Jupiter op 8 september 2002 aan de hemel rakelings langs de quasar J0842+1835 schoof. De hieruit afgeleide snelheid van de zwaartekracht zou 1,06 maal die van het licht zijn, ofwel binnen de meetfouten gelijk aan die van het licht.

Artikelen over de resultaten werden naar Physics Letters A en Astrophysical Journal gestuurd. Bij deze laatste was toen echter al het artikel van Clifford Will gearriveerd. Deze theoretisch fysicus had op grond van eigen relativistische berekeningen geconcludeerd dat het door Kopeikin gemeten effect niets van doen had met de snelheid van de zwaartekracht. Bij Will komt de snelheid van de zwaartekracht wel in de verschillende deelvergelijkingen voor, maar valt hij in het eindresultaat weg. ``Op hogere niveaus van nauwkeurigheid is die snelheid wel van invloed, maar dan vele orden van grootte kleiner dan met VLBI-technieken kan worden gemeten'', legt hij desgevraagd uit.

``Alleen in een theorie waarin de snelheid van de zwaartekracht niet gelijk is aan de lichtsnelheid, zou men op dit niveau van nauwkeurigheid een meetbaar effect kunnen verwachten'', zegt Will. ``Kopeikin heeft er echter op gewezen dat hij er niet op uit is zo'n alternatieve theorie te ontwikkelen. Dit betekent dat metingen aan de afbuiging van radiogolven door Jupiter géén directe informatie over de snelheid van de gravitationele wisselwerking kunnen geven.''

Volgens Will is het door Kopeikin gemeten effect een aberratie, veroorzaakt door de relatieve snelheid van de waarnemer ten opzichte van de quasar. Dit wordt echter fel weersproken door Kopeikin, die stelt dat de afbuiging van de quasarstraling wel degelijk beschouwd moet worden als het ``meeslepen van straling door de flux van het gravitatieveld die door de translatie van Jupiter wordt gegenereerd.''

Kopeikin meldt desgevraagd in januari brieven aan zowel de redactie van Astrophysical Journal als Will te hebben gestuurd, waarin hij schrijft dat `Will zijn berekeningen blijkbaar in een ander kader dan dat van de algemene relativiteitstheorie verricht, waardoor het heel waarschijnlijk is dat hem bepaalde relativistische effecten ontgaan.' Hij meent dat Will `talrijke wiskundige fouten' maakt, waardoor zijn werk vol tekortkomingen en inconsistenties zit en de resultaten niet kunnen worden vertrouwd. Kopeikin heeft de fouten van Will proberen aan te tonen in herziene versies van zijn artikel voor Physics Letters A en heeft nu ook een tweede artikel naar de Astrophysical Journal gestuurd over de theoretische interpretatie van de metingen van 8 september.

upgrade

Kopeikin zegt nog steeds geen reactie van de Astrophysical Journal noch van Will te hebben ontvangen en ``niet te begrijpen wat er aan de hand is''. Ook wijst hij op een bericht in Nature van 20 februari, waarin de eerste, negatieve meetresultaten van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten worden gemeld. Aangezien velen betwijfelen of dit instrument wel in staat is gravitatiegolven uit het heelal te detecteren, zijn nu plannen voor een 100 tot 150 miljoen dollar kostende upgrade gepresenteerd. ``Will is één van de belangrijkste theoretici van het LIGO-team'', merkt Kopeikin fijntjes op, suggererend dat de oppositie van Will méér dan alleen van wetenschappelijke aard is. De redacties van Physics Letters A en Astrophysical Journal geven geen commentaar.