Na het inschakelen in september 2015 ontdekte het LIGO-dubbelobservatorium - de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories in Hanford, Washington en Livingston, Louisiana - tegelijkertijd de fusie van twee zwarte gaten tijdens de eerste werksessie, hoewel hun gevoeligheid was ingesteld op 30% van mogelijk. De fusie van twee zwarte gaten 36 en 29 zonsmassa's ontdekt op 14 september 2015, en andere zwarte gaten op 14 en 8 zonsmassa's ontdekt op 26 december 2015 leverde de eerste definitieve en directe bevestiging van het bestaan van zwaartekrachtgolven. Het kostte een eeuw om dit te doen. Eindelijk was de technologie in staat om de theorie te testen en te bevestigen.
Maar de ontdekking van deze golven is nog maar het begin: er breekt een nieuw tijdperk in de astronomie aan. 101 jaar geleden kwam Einstein met een nieuwe zwaartekrachttheorie: de algemene relativiteitstheorie. Samen met het kwam het besef: verre massa's trekken soortgelijke niet onmiddellijk door het universum aan, deze aanwezigheid van materie en energie vervormt het weefsel van ruimte-tijd. Dit volledig nieuwe beeld van de zwaartekracht bracht een hele reeks onverwachte gevolgen met zich mee, waaronder gravitatielenzen, een uitdijend universum, gravitatietijddilatatie en - zoals we nu zeker weten - het bestaan van een nieuw type straling: zwaartekrachtgolven. Wanneer massa's ten opzichte van elkaar door de ruimte bewegen of versnellen, creëert de reactie van de ruimte zelf rimpelingen. Deze rimpel beweegt met de snelheid van het licht door de ruimte en valt daardoor in onze detectoren,informeert ons over verre gebeurtenissen door middel van zwaartekrachtgolven.
Het is het gemakkelijkst om objecten te detecteren die sterke signalen uitzenden, namelijk:
- grote massa, - op een kleine afstand van elkaar gelegen zijn, - snel roterend, Promotie video:
- met aanzienlijk veranderende banen.
De beste kandidaten zijn uiteraard botsende, instortende objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren. We moeten ook rekening houden met de frequentie waarmee we deze objecten kunnen detecteren, die ongeveer gelijk zal zijn aan de padlengte van de detector (armlengte maal het aantal reflecties) gedeeld door de lichtsnelheid.
LIGO, met zijn armen van 4 kilometer met duizenden lichtreflecties, kan objecten zien met frequenties in het millisecondebereik. Dit omvat het samenvoegen van zwarte gaten en neutronensterren in de laatste fase van het samenvoegen, maar ook exotische gebeurtenissen zoals zwarte gaten of neutronensterren die een groot stuk materie consumeren en gorgelen en meer bolvormig worden. Een zeer asymmetrische supernova kan ook een zwaartekrachtgolf creëren; Het is onwaarschijnlijk dat het instorten van de kern zwaartekrachtgolfdetectoren zal raken, maar het zou heel goed kunnen dat witte dwergsterren in de buurt samensmelten.
We hebben al samensmelting van zwarte gaten met zwarte gaten gezien, en naarmate LIGO verbetert, is het redelijk om aan te nemen dat we de komende jaren de eerste generatie schattingen zullen hebben van zwarte gaten met een stellaire massa (van enkele tot honderd zonsmassa's). LIGO moet ook fusies van neutronensterren met neutronensterren vinden; wanneer de observatoria de geplande gevoeligheid bereiken, kunnen ze drie tot vier gebeurtenissen per maand waarnemen, als onze schattingen van de frequentie van hun fusie en de LIGO-gevoeligheid correct zijn.
Asymmetrische supernovae en het borrelen van exotische neutronengaten zullen buitengewoon interessant zijn om te detecteren (indien mogelijk, omdat wordt aangenomen dat het zeldzame gebeurtenissen zijn). Maar de grootste doorbraken zijn te verwachten met meer detectoren. Wanneer de VIRGO-detector in Italië begint te werken, wordt echte positionering door middel van triangulatie mogelijk: we zullen nauwkeurig kunnen bepalen waar deze gebeurtenissen in de ruimte worden geboren en vervolgens optische metingen kunnen uitvoeren. VIRGO zal worden gevolgd door gravitatiegolfinterferometers in Japan en India. Over een paar jaar zal onze visie op de zwaartekrachtgolflucht een nieuw niveau bereiken.
Maar onze grootste successen zullen beginnen wanneer we onze ambities voor zwaartekrachtgolven de ruimte in brengen. In de ruimte bent u niet beperkt tot seismisch geluid, vrachtwagenongevallen of platentektoniek; alleen een stil ruimtevacuüm op de achtergrond. Je bent niet beperkt door de kromming van de aarde, de mogelijke lengte van de observatoriumarmen; het is mogelijk om het observatorium verder van de aarde te lanceren of zelfs in een baan om de zon te draaien. We konden objecten niet voor milliseconden meten, maar voor seconden, dagen, weken of langer. We konden zwaartekrachtgolven detecteren van superzware zwarte gaten, waaronder de grootste bekende objecten in het universum.
Als we ten slotte een ruimteobservatorium bouwen dat groot genoeg en gevoelig genoeg is, kunnen we de zwaartekrachtgolven zien die zijn overgebleven van de oerknal zelf. We konden de gravitationele verstoringen van kosmische inflatie direct detecteren en niet alleen onze kosmische oorsprong bevestigen, maar ook bewijzen dat de zwaartekracht zelf een kwantumkracht van de natuur is. Deze inflatoire zwaartekrachtsgolven hadden immers niet kunnen verschijnen als de zwaartekracht zelf geen kwantumveld was.
Er is momenteel een discussie gaande over welke NASA-missie een prioriteit zal zijn in de jaren 2030. Hoewel er veel goede missies worden aangeboden, is de constructie van een in de ruimte gebaseerd observatorium voor zwaartekrachtgolven in een baan om de zon het vermelden waard. We hebben de technologie, we hebben de werkbaarheid ervan bewezen, we hebben het bestaan van golven bevestigd. De toekomst van de astronomie van zwaartekrachtgolven wordt alleen beperkt door wat het universum zelf ons kan bieden en hoeveel we eraan zullen uitgeven. De hoogtijdagen van een nieuw tijdperk zijn al begonnen. De vraag blijft hoe helder dit nieuwe vakgebied van de astronomie zal schijnen.
ILYA KHEL
