De eerste directe detectie van gravitatiegolven zal naar verwachting op 11 februari worden aangekondigd door wetenschappers van het Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Met behulp van twee gigantische LIGO-detectoren - een in Livingston, Louisiana en de ander in Hanford, Washington - maten wetenschappers de rimpelingen in de ruimtetijd die worden gegenereerd door de botsing van twee zwarte gaten en lijken ze eindelijk te hebben gevonden waarnaar ze op zoek waren.
Een dergelijke verklaring zou de door Albert Einstein voorspelde zwaartekrachtsgolven bevestigen, die hij 100 jaar geleden onderdeel maakte van zijn algemene relativiteitstheorie, maar de gevolgen zullen daar niet eindigen. Als trilling van het weefsel van ruimte-tijd worden zwaartekrachtgolven vaak vergeleken met geluid, zelfs omgezet in geluidssporen. Gravitatiegolftelescopen zouden wetenschappers in staat stellen verschijnselen te "horen" op dezelfde manier als lichttelescopen ze "zien".
Toen LIGO begin jaren negentig vocht voor financiering van de Amerikaanse regering, waren astronomen de belangrijkste kanshebbers op hoorzittingen van het congres. "Destijds dacht men dat LIGO niets met astronomie te maken had", zegt Clifford Will, een algemene relativiteitstheoreticus aan de Universiteit van Florida in Gainesville en een van de vroege voorstanders van LIGO. Maar sindsdien is er veel veranderd.
Welkom op het gebied van gravitatiegolfastronomie. Laten we de problemen en verschijnselen bespreken die ze zou kunnen onthullen.
Bestaan zwarte gaten echt?
Het signaal dat van de LIGO-aankondiging wordt verwacht, is mogelijk geproduceerd door twee samenvoegende zwarte gaten. Gebeurtenissen zoals deze zijn de meest energetische die we kennen; de kracht van de zwaartekrachtgolven die door hen worden uitgezonden, kan alle sterren van het waargenomen universum in totaal kortstondig verduisteren. Samenvoegende zwarte gaten zijn ook vrij gemakkelijk te interpreteren vanuit zeer zuivere zwaartekrachtgolven.
Promotie video:
Het signaal dat van de LIGO-aankondiging wordt verwacht, is mogelijk geproduceerd door twee samenvoegende zwarte gaten. Gebeurtenissen zoals deze zijn de meest energetische die we kennen; de kracht van de zwaartekrachtgolven die door hen worden uitgezonden, kan alle sterren van het waargenomen universum in totaal kortstondig verduisteren. Samenvoegende zwarte gaten zijn ook vrij gemakkelijk te interpreteren vanuit zeer zuivere zwaartekrachtgolven.
Samenvoegende zwarte gaten ontstaan wanneer twee zwarte gaten om elkaar heen draaien en energie uitzenden in de vorm van zwaartekrachtgolven. Deze golven hebben een karakteristiek geluid (chirp) dat kan worden gebruikt om de massa van deze twee objecten te meten. Daarna komen zwarte gaten meestal samen.
“Stel je twee zeepbellen voor die dichtbij genoeg komen om één luchtbel te vormen. De grotere bel is vervormd”, zegt Tybalt Damour, een zwaartekrachttheoreticus bij het Institute for Advanced Scientific Research in de buurt van Parijs. Het laatste zwarte gat zal perfect bolvormig zijn, maar moet eerst voorspelbare zwaartekrachtgolven uitzenden.
Een van de belangrijkste wetenschappelijke implicaties van het ontdekken van fusies van zwarte gaten zal de bevestiging zijn van het bestaan van zwarte gaten - op zijn minst perfect cirkelvormige objecten gemaakt van pure, lege, gebogen ruimtetijd, zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Een ander gevolg is dat de fusie verloopt zoals de wetenschappers hadden voorspeld. Astronomen hebben veel indirecte bevestiging van dit fenomeen, maar tot dusver waren dit waarnemingen van sterren en oververhit gas in de baan van zwarte gaten, en niet van de zwarte gaten zelf.
“De wetenschappelijke gemeenschap, waaronder ikzelf, houdt niet van zwarte gaten. We nemen ze als vanzelfsprekend aan”, zegt Frans Pretorius, specialist in algemene relativiteitssimulaties aan de Princeton University in New Jersey. "Maar als je bedenkt wat voor een geweldige voorspelling dit is, dan hebben we echt verbazingwekkend bewijs nodig."
Bewegen zwaartekrachtgolven met de snelheid van het licht?
Wanneer wetenschappers LIGO-waarnemingen gaan vergelijken met die van andere telescopen, controleren ze eerst of het signaal op hetzelfde moment arriveerde. Natuurkundigen geloven dat zwaartekracht wordt overgedragen door gravitondeeltjes, het zwaartekrachtanaloog van fotonen. Als deze deeltjes, net als fotonen, geen massa hebben, zullen zwaartekrachtgolven met de snelheid van het licht bewegen, in overeenstemming met de voorspelling van de snelheid van zwaartekrachtgolven in de klassieke relativiteitstheorie. (Hun snelheid kan worden beïnvloed door de versnellende uitdijing van het heelal, maar dit zou zich moeten manifesteren op afstanden die aanzienlijk groter zijn dan die van LIGO).
Het is echter heel goed mogelijk dat gravitonen een kleine massa hebben, wat betekent dat gravitatiegolven met een lagere snelheid dan het licht zullen bewegen. Als LIGO en Virgo bijvoorbeeld zwaartekrachtsgolven detecteren en erachter komen dat de golven later op aarde arriveren dan bij een kosmische gebeurtenis van gammastraling, kan dit fatale gevolgen hebben voor de fundamentele fysica.
Is ruimtetijd gemaakt van kosmische snaren?
Een nog vreemdere ontdekking zou kunnen gebeuren als uitbarstingen van zwaartekrachtgolven worden gedetecteerd die afkomstig zijn van "kosmische snaren". Deze hypothetische ruimtetijdkrommingdefecten, die al dan niet verband houden met snaartheorieën, zouden oneindig dun moeten zijn, maar zich uitstrekken over kosmische afstanden. Wetenschappers voorspellen dat kosmische snaren, als ze bestaan, per ongeluk kunnen buigen; als de snaar buigt, veroorzaakt dit een zwaartekrachtstoot die detectoren zoals de LIGO of Virgo kunnen meten.
Kunnen neutronensterren gekarteld zijn?
Neutronensterren zijn de overblijfselen van grote sterren die onder hun eigen gewicht instortten en zo dicht werden dat elektronen en protonen begonnen te smelten tot neutronen. Wetenschappers hebben weinig begrip van de fysica van neutronengaten, maar gravitatiegolven kunnen er veel over vertellen. De intense zwaartekracht op hun oppervlak zorgt er bijvoorbeeld voor dat neutronensterren bijna perfect bolvormig worden. Maar sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat ze misschien ook 'bergen' hebben - een paar millimeter hoog - die deze dichte objecten, met een diameter van 10 kilometer, niet meer, enigszins asymmetrisch maken. Neutronensterren draaien meestal erg snel, dus een asymmetrische massaverdeling zal de ruimtetijd vervormen en een constant sinusvormig zwaartekrachtgolfsignaal produceren, waardoor de rotatie van de ster wordt vertraagd en energie wordt uitgezonden.
Paren neutronensterren die om elkaar heen draaien, produceren ook een constant signaal. Als zwarte gaten draaien deze sterren spiraalsgewijs en versmelten ze uiteindelijk tot een onderscheidend geluid. Maar de specificiteit verschilt van de specificiteit van het geluid van zwarte gaten.
Waarom exploderen sterren?
Zwarte gaten en neutronensterren ontstaan wanneer massieve sterren niet meer schijnen en in elkaar storten. Astrofysici denken dat dit proces de kern vormt van alle gangbare soorten Type II supernova-explosies. Simulaties van dergelijke supernovae hebben nog niet aangetoond waarom ze ontbranden, maar het luisteren naar de uitbarstingen van de zwaartekrachtgolven die door een echte supernova worden uitgezonden, wordt verondersteld een antwoord te bieden. Afhankelijk van hoe de burst-golven eruit zien, hoe luid ze zijn, hoe vaak ze voorkomen en hoe ze correleren met supernovae die worden gevolgd door elektromagnetische telescopen, kunnen deze gegevens helpen om een aantal bestaande modellen uit te sluiten.
Hoe snel breidt het universum zich uit?
De uitbreiding van het universum betekent dat verre objecten die van ons melkwegstelsel weg bewegen roder lijken dan ze in werkelijkheid zijn, aangezien het licht dat ze uitstralen zich uitstrekt terwijl ze bewegen. Kosmologen schatten de snelheid van uitdijing van het universum door de roodverschuiving van sterrenstelsels te vergelijken met hoe ver ze van ons verwijderd zijn. Maar deze afstand wordt meestal geschat op basis van de helderheid van Type Ia-supernovae, en deze techniek laat veel onzekerheden achter.
Als meerdere zwaartekrachtgolfdetectoren over de hele wereld signalen detecteren van de fusie van dezelfde neutronensterren, kunnen ze samen absoluut nauwkeurig de signaalsterkte schatten, en daarmee de afstand waarop de fusie plaatsvond. Ze zullen ook de richting kunnen beoordelen en daarmee het sterrenstelsel kunnen identificeren waarin de gebeurtenis plaatsvond. Door de roodverschuiving van dit sterrenstelsel te vergelijken met de afstand tot de samenvoegende sterren, kan een onafhankelijke kosmische expansie worden verkregen, mogelijk nauwkeuriger dan de huidige methoden toestaan.
