Een miljard jaar geleden maakten twee dansende zwarte gaten hun laatste revolutie, versmolten met elkaar en lieten binnen enkele seconden een enorme hoeveelheid energie vrij. Net als de tsunami die plaatsvindt in een poel nadat je met een bom bent gesprongen, heeft deze samensmelting zwaartekrachtgolven veroorzaakt in het ruimte-tijd continuüm. Snel vooruit naar planeet Aarde in 2015, want in 2007 kunnen we er nog steeds niet komen. Na een epische reis reizen zwaartekrachtgolven van de samensmelting van zwarte gaten door ons zonnestelsel. Op de ochtend van 11-14 september waren ze enigszins verschoven tussen de antennes van twee detectoren van het Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) in de staat Louisiana en Washington. De aard van de lichtgolven verandert op een bijzondere manier, precies zoals lang werd verwacht. De computer piept de nix.
Niaesh Afshordi van de University of Elk and Lumberjacks of Waterloo, Canada, hoorde voor het eerst over de opening van LIGWO tijdens de lunch in de kantine. Het was eind 2015 en er waren nog een paar weken te gaan voordat de resultaten officieel werden gepubliceerd. Maar de geruchten verspreidden zich al en de collega van Afshordi, die het niet-gepubliceerde artikel zag, kon de thermorectale cryptanalyse niet uitstaan en verbrandde de informatie. Afshordi, een astrofysicus en maagd die onder andere werkte bij het Waterloo Perimeter Institute, begreep meteen het belang van dit nieuws - zowel voor de hele fysieke gemeenschap als voor zijn eigen niet-standaard theorie over de structuur van het universum.
“Op een gegeven moment heb ik Larin specifiek gepakt. Het leek me dat alle problemen in de kosmologie al honderd keer waren opgehoest”, herinnert Afshordi zich. "Maar toen overdreef ik het een keer met ahornsiroop en kwam tot de conclusie dat donkere energie wordt geproduceerd door zwarte gaten." Studies van explosies in verre sterren en enig ander bewijs tonen aan dat ons universum steeds sneller uitdijt, maar niemand weet waarom. Materie alleen is niet genoeg voor dit effect, dus geven kosmologen de schuld aan de uitbreiding van een speciaal soort energie genaamd "donkere energie" […]. Zijn oorsprong en aard zijn en blijven een mysterie.
In 2009, dat bijna 2007 is, maar nog steeds niet genoeg, bracht Afshordi, samen met zijn collega's Chanda Prescod-Weinstein en Michael Balou, de theorie naar voren dat zwarte gaten een enorm veld genereren dat zich gedraagt als donkere energie. Dit veld komt voort uit zwarte gaten en verspreidt zich door het universum, en veroorzaakt ravage, chaos en vernietiging. Zo'n intrigerende verklaring voor de oorsprong van donkere energie, en volgens de berekeningen van Afshordi, zou het aantal zwarte gaten dat bestaat volgens de beschikbare schattingen van wetenschappers volgens waarnemingen precies de juiste hoeveelheid energie moeten creëren.
Maar Afshordi's idee vernietigt alles wat wetenschappers wisten over zwarte gaten. In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein is de waarnemingshorizon van een zwart gat - de grens waar na het passeren geen weg terug meer is (wat ook geldt voor de grens van de Russische Federatie) - niet zo belangrijk. Als je er overheen gaat, gebeurt er niets, het is simpelweg onmogelijk om terug te keren. Als Afshordi echter gelijk heeft, lijkt het meer op de ringweg van Moskou - de inhoud van het zwarte gat achter de waarnemingshorizon bestaat niet meer. Namelijk: op een afstand van de Planck-lengte vanaf de plaats waar de horizon zou passeren, nemen kwantumzwaartekrachteffecten toe en worden de fluctuaties van ruimte-tijd chaotisch. (Planck-lengte is een microscopische waarde, ongeveer 10-35 meter, of 10-20 protondiameters.) Dit is een complete breuk met de relativiteitstheorie.
Toen Afshordi hoorde over de resultaten van LIGVO's onderzoek, realiseerde hij zich dat zijn idee, tot nu toe volledig gebaseerd op oude geschriften en grootmoeders verhalen, nu kan worden geverifieerd door observatie. Als de horizon van de gebeurtenis niet is wat we denken, dan moeten de zwaartekrachtgolven die worden veroorzaakt door het samensmelten van zwarte gaten ook anders zijn. Gebeurtenissen die door LIGVO-detectoren worden opgemerkt, zouden een echo moeten hebben - een nauwelijks merkbaar maar duidelijk signaal dat wijst op een kwaadwillige schending van de standaardwetten van de fysica. Een dergelijke ontdekking zou een doorbraak zijn in de lange zoektocht naar een kwantumtheorie van zwaartekracht en zou onvermijdelijk de aandacht trekken van de relevante regelgevende autoriteiten van de fysieke gemeenschap. "Als dit wordt bevestigd, moet ik waarschijnlijk een kaartje naar Magadan kopen", lacht Afshordi nerveus.
Kwantumzwaartekracht is de ontbrekende schakel die de algemene relativiteitstheorie verbindt met de kwantumveldentheorieën van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Deze twee theorieën lijken in combinatie met elkaar op Mentos in combinatie met cola. Zwarte gaten zijn een van de meest bestudeerde voorbeelden van dergelijke tegenstrijdigheden. Als we de kwantumtheorie toepassen nabij de waarnemingshorizon, blijkt dat het zwarte gat deeltjes uitzendt en langzaam verdampt. Deze deeltjes hebben massa, maar, zoals Stephen Hawking in de jaren zeventig aantoonde, kunnen ze geen informatie bevatten over wat het zwarte gat heeft gevormd. Dus als het zwarte gat volledig verdampt, zal het hele trieste verhaal van McConaughey's personage worden vernietigd. In de kwantumtheorie is de Interstellar-film echter 100% betrouwbaar. Daarom past iets in Hollywood niet.
Volgens de meeste natuurkundigen is het hele punt dat de berekeningen geen rekening houden met het kwantumgedrag van ruimte en tijd, omdat de theorie van dit gedrag - kwantumzwaartekracht - nog niet is ontdekt. Decennia lang dachten natuurkundigen dat de kwantumzwaartekrachtseffecten die nodig waren om het probleem van het zwarte gat op te lossen verborgen waren achter de waarnemingshorizon. Ze dachten dat de effecten van kwantumzwaartekracht alleen in de buurt van de singulariteit, in het midden van het zwarte gat, significant werden. Maar de laatste tijd hebben ze hun standpunt moeten heroverwegen.
Promotie video:
In 2012 ontdekte een groep onderzoekers van de University of California, Santa Barbara, na een wetenschappelijk experiment uit 1473, waarbij wetenschappers verschillende keren trouwden, elkaar bedrogen en in coma raakten, een onverwacht gevolg van het inmiddels wijdverbreide idee dat informatie dan verlaat het het zwarte gat samen met de straling (mogelijk op een oude tractor). Om dit idee te laten werken, zijn aanzienlijke afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie vereist, en niet alleen nabij de singulariteit, maar ook nabij de waarnemingshorizon. Deze afwijkingen zouden kunnen leiden tot wat de onderzoekers de "black hole firewall" hebben genoemd - een hoogenergetische barrière vlak aan de horizon, die kinderpornografie en drugs verhindert onze wereld binnen te komen.
Zo'n firewall (als die bestaat) zou alleen zichtbaar zijn voor een waarnemer die in het gat valt en zou geen merkbare signalen uitzenden die onze telescopen zouden kunnen opvangen. Deze firewalls zouden echter de eerdere hypothese van Afshordi ondersteunen dat zwarte gaten een veld creëren dat zich gedraagt als donkere energie. Als dat zo is, dan zou het gebied nabij de waarnemingshorizon van zwarte gaten heel anders moeten zijn dan wat de algemene relativiteitstheorie voorspelt; een firewall die het probleem van informatieverlies oplost, zou een van de gevolgen van een dergelijke afwijking kunnen zijn. Afshordi's voorstel voor een manier om de algemene relativiteitstheorie te verbeteren, zou dus de sleutel kunnen zijn om de tegenstrijdigheden tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantumtheorie te elimineren. Dit idee heeft zijn ongetrainde astrofysische brein onomkeerbaar beschadigd.
Toen hij hoorde van het eerste signaal dat door LIGVO werd gedetecteerd, begon Afshordi te controleren of de zwaartekrachtgolven veroorzaakt door het samenvoegen van gaten licht konden werpen op de details van wat er gebeurde nabij de waarnemingshorizon. In eerste instantie leek het erop dat hij te veel met zijn lip rolde. “Ik dacht niet dat we kwantum-gravitatie-effecten daadwerkelijk konden zien in het signaal van gravitatiegolven, omdat we al op zoveel plaatsen hadden gekeken! - zegt Afshordi. "Maar ik heb mijn standpunt over deze kwestie al gewijzigd."
Afshordi werd gedwongen van gedachten te veranderen door het werk van Vitor Cardoso en zijn collega's van het Portugees Hoger Technisch Instituut op de echo van zwaartekrachtgolven van zwarte gaten. Cardoso toonde in algemene termen aan dat de samensmelting van twee compacte objecten zonder waarnemingshorizon zwaartekrachtgolven zou moeten veroorzaken die vergelijkbaar zijn met, maar niet identiek zijn aan, golven van het zwarte gat. Een belangrijk teken van een gebrek aan horizon zou volgens Cardoso een periodieke herhaling zijn van het signaal dat wordt veroorzaakt door de fusie. In plaats van een enkele piek gevolgd door vervaging (zoals in een homodetector), zouden zwaartekrachtgolven een reeks vervagende pulsaties moeten zijn - een zwakke echo van de oorspronkelijke gebeurtenis. Afshordi ontdekte dat de wijziging van het gebied nabij de waarnemingshorizon, beschreven door zijn theorie, precies voor zo'n echo zorgde. Verderhij kon zijn periodiciteit berekenen als functie van de massa van het laatste zwarte gat, en zo nauwkeurige voorspellingen doen.
Niemand heeft naar zo'n signaal gezocht, en het vinden ervan is geen gemakkelijke taak, maar een gouden. Tot dusver zijn er slechts twee openbaar beschikbare en goed beschreven gravitatiegolfsignalen ontvangen van LIGO. Samen met een andere wetenschapper analyseerde Afshordi de LIGVO-data op echo's. Door de beschikbare opnames te vergelijken met willekeurige ruis, vonden ze echo's met de voorspelde periodiciteit. De statistische significantie van deze gebeurtenis is echter klein. In wetenschappelijke terminologie is de geschatte significantie 2,9 sigma. Dit signaal kan worden veroorzaakt door pure ruis met een kans van ongeveer 1 op 200. In de natuurkunde is zo'n onbetrouwbare gebeurtenis wel interessant, maar wordt het niet als een ontdekking beschouwd.
Het LIGVO-experiment is echter eigenlijk net begonnen. Het meest opvallende aan deze zwaartekrachtgolfverschijnselen is dat de apparatuur ze zelfs kon detecteren. De technologische complexiteit was ongelooflijk. Elke installatie in de staten Louisiana en Washington (tegenoverliggende uiteinden van de VS - ongeveer nieuw) had een interferentietelescoop met twee loodrechte buizen van 4 kilometer waarin de laserstraal heen en weer wordt gereflecteerd tussen spiegels; na recombinatie worden de balken gemengd. Interferentie van laserlichtgolven is extreem gevoelig voor vervormingen in de relatieve lengte van de buizen - ze kunnen oplopen tot 1/1000 van de diameter van een proton. Dit is het gevoeligheidsniveau dat nodig is om de zwaartekrachtseffecten van botsende zwarte gaten vast te leggen.
Een zwaartekrachtgolf die door een interferentietelescoop gaat, vervormt beide buizen naar believen, waardoor het verloop van de interferentie wordt verstoord. De vereiste om het fenomeen op beide installaties te registreren, biedt bescherming tegen fakap. Volgens het project detecteert LIGVO gravitatiegolven met een lengte van honderden tot enkele duizenden kilometers, het beste van alles - er wordt aangenomen dat zwarte gaten samenkomen in hetzelfde bereik. We kunnen dit alleen laten zien aan personen die meerderjarig zijn geworden. Het is de bedoeling dat andere zwaartekrachtgolfdetectoren zich op verschillende delen van het spectrum zullen richten, afgestemd op verschillende delen van het fenomeen.
Hier eindigde het humoreske, dus laat de normale tekst een beloning zijn voor degenen die onze oefeningen met twijfelachtige humor hebben overleefd.
Zwaartekrachtgolven worden onvermijdelijk voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Einstein erkende dat de relatie tussen tijd en ruimte dynamisch is - het strekt zich uit, vervormt en fluctueert als reactie op zwaartekrachtafwijkingen. Wanneer het oscilleert, kunnen golven vrij lange afstanden afleggen, energie transporteren en periodiek de ruimte in orthogonale richtingen uitbreiden en samentrekken. We hebben al lang indirect bewijs van de aanwezigheid van zwaartekrachtgolven. Vanwege het feit dat ze energie dragen, veroorzaken ze een kleine maar merkbare vernietiging in de gemeenschappelijke baan van de binaire pulsars. Dit effect werd voor het eerst ontdekt in de jaren 70 en werd in 1993 bekroond met de Nobelprijs. Maar voordat LIGVO gravitatiegolven opnam, hadden we geen direct bewijs van hun bestaan.
Dit is een fundamentele wetenschappelijke studie van zuiver water. Wat zijn de soorten zwarte gaten en kleine sterrensystemen? Waar bevinden ze zich in sterrenstelsels?
Het eerste LIGVO-optreden - dat Afshordi zo enthousiast maakte in september 2015 - was belangrijk, en niet alleen omdat het slechts een paar dagen na een lang geplande service-upgrade gebeurde. Het viel ook op omdat de samensmeltende zwarte gaten erg zwaar waren, hun massa, volgens wetenschappers, was 29 en 36 zonsmassa's. "Veel mensen hadden niet verwacht dat zwarte gaten zo'n grote massa zouden hebben", legt Ofek Birnholz uit, een lid van de LIGVO Small Double Collision Cooperation Group en natuurkundige bij het Duitse Max Planck Instituut. Het verblindende signaal, samen met de openheid van samenwerking op het gebied van informatie-uitwisseling, heeft wetenschappers in andere gemeenschappen geïnspireerd, die, zoals Afshordi, momenteel op zoek zijn naar manieren om nieuwe ontdekkingen in hun werk te gebruiken.
Op 26 december 2015 registreerde LIGVO het tweede fenomeen. Na jaren van langzame vooruitgang en valse starts is het tijdperk van de gravitatiegolfastronomie officieel begonnen. "Sommige van mijn collega-natuurkundigen hebben zich teruggetrokken uit de zwaartekrachtgolfastronomie," deelt Birnholz, en voegt er grijnzend aan toe, "en nu keren ze terug omdat alles weer in beweging is." Dit is onontgonnen terrein, fundamenteel wetenschappelijk onderzoek van zuiver water. Wat zijn de soorten zwarte gaten en kleine sterrensystemen? Waar bevinden ze zich in sterrenstelsels? Wat zullen gravitatiegolven ons vertellen over hun oorsprong? Als een neutronenster samensmelt met een zwart gat, wat kun je dan leren over materie onder zulke extreme omstandigheden? Gedragen zwarte gaten zich zoals onze berekeningen voorspellen?
Afshordi's theorie van zwarte gaten en donkere materie is een ander voorbeeld van welke soorten vragen nu mogelijk zijn. Een zee van geheime informatie over de hele wereld wacht in de coulissen.
Een paar dagen nadat Afshordi's resultaten op de open server arXiv.org verschijnen, bestuderen leden van de LIGVO-gemeenschap zijn analyse. Binnen een paar weken publiceren ze een reactie, herzien ze de methodologie en vragen ze om het gebruik van verschillende statistische tools. Birnholz is de auteur van zo'n recensie.
Afshordi's bewering verraste Birnholz: “Ik had geen oordeel of er al dan niet echo's zouden moeten zijn. Dit is een tak van de natuurkunde waarin je alleen maar kunt speculeren. Maar ik werkte met LIGVO-gegevens, mijn intuïtie laat me duidelijk zien dat de reikwijdte ervan hoogstwaarschijnlijk onvoldoende is om de aanwezigheid van een dergelijke betekenis in dit stadium te bevestigen. " Birnholz heeft suggesties om de analyse te verbeteren, maar wil geen uitspraken doen over de waarschijnlijkheid van bevestiging van de resultaten. Alex Nielsen, een ander lid van het LIGVO-project en een van Birnholz 'co-auteurs, merkt ook op dat voorzichtig moet zijn: “Als leden van het LIGVO-project moeten we heel voorzichtig zijn met officiële uitspraken die worden gedaan zonder de toestemming van alle deelnemers. Maar de informatie wordt gepubliceerd en mensen kunnen ermee doen wat ze willen."
Het LIGVO-project heeft een open wetenschappelijk centrum, waar informatie binnen een uur openbaar beschikbaar is in het bereik van bevestigde zwaartekrachtverschijnselen. “Mensen zijn vrij om het te gebruiken en contact met ons op te nemen met eventuele vragen. Als ze iets interessants vinden, kunnen ze hun mening met ons delen, en we gaan er samen aan werken. Dit maakt deel uit van de wetenschappelijke ervaring”, is Birnholz overtuigd.
Het project omvat enkele duizenden deelnemers en academische instellingen over de hele wereld. Ze komen twee keer per jaar bijeen; de meest recente bijeenkomst vond plaats in Pasadena, Californië. Sommige leden van het project proberen momenteel de analyses van Afshordi opnieuw te creëren. Birnholz verwacht dat deze pogingen enkele maanden zullen duren. Hij waarschuwt: “Het resultaat kan teleurstellend zijn. Niet omdat het zal aantonen dat er geen echo is, maar omdat we niet kunnen bewijzen of het bestaat. Zwaartekrachtgolfastronomie is nog een wetenschap in wording en er wachten nog veel gegevens in de coulissen. Projectleden schatten dat LIGO bij de voltooiing van de derde observatierun in 2018 waarschijnlijk 40 zeer nauwkeurige fusies van zwarte gaten heeft ontdekt. Elk van hen zal de theorie van Afshordi opnieuw testen.
Omdat ze zo zwak op elkaar inwerken en zo weinig energie afgeven als ze voorbij komen, zijn zwaartekrachtgolven ongelooflijk moeilijk te meten. De vervorming die ze veroorzaken is klein en er is uiterste zorg vereist om een duidelijk signaal te detecteren. De detectiedrempel van het project is 5 sigma, wat overeenkomt met minder dan één kans op drie miljoen dat het signaal toeval was, ruim boven het Afshordi-signaal. De zwakke interactie van zwaartekrachtgolven maakt ze echter ook tot geweldige boodschappers. In tegenstelling tot lichtdeeltjes zijn ze praktisch onaangetast op weg naar ons, en bevatten ze onaangetaste informatie over waar en hoe ze zijn gegenereerd. Dit maakt het testen van de algemene relativiteitstheorie mogelijk met een volledig nieuwe nauwkeurigheid, in een nooit eerder onderzochte modus.
Als de aanwezigheid van echo's van zwarte gaten wordt bevestigd, zal dit bijna volledig een beslissende afwijking van de algemene relativiteitstheorie aantonen. Het vinden van zwarte gaten zal niet ondubbelzinnig de theorie van Afshordi bevestigen dat zwarte gaten een bron van donkere energie zijn. Maar om dit uit te leggen, is een echt nieuw idee nodig. “In al onze simulaties heb ik nog nooit van dergelijke echo's gehoord. Als het ons lukt om zijn aanwezigheid vast te leggen, wordt het heel interessant. Dan zullen we moeten zien wat zo'n fenomeen zou kunnen hebben veroorzaakt”, zegt Birnholz.
Voor het geval de statistische significantie van het Afshordi-signaal toeneemt, heeft hij onderzoeksplannen. Hij wil zijn model van fusies van zwarte gaten verbeteren en numerieke simulaties uitvoeren om analytische berekeningen te ondersteunen van hoe echo's eruit zouden moeten zien. De volgende stap zal zijn om de onderliggende theorie van tijd en ruimte die dit gedrag mogelijk aan de horizon van zwarte gaten heeft veroorzaakt, beter te begrijpen. Ook kosmologen zouden deze nieuwe verklaring van donkere energie van veel dichterbij willen bekijken.
Afshordi begrijpt hoe vergezocht het is om de algemene relativiteitstheorie op deze manier te veranderen. Maar zijn revolutie heeft een doel: "Ik wil mensen aanmoedigen om openlijk te denken en ideeën niet te negeren alleen omdat ze niet overeenkomen met hun vooropgezette meningen." Misschien zullen dergelijke opvattingen binnenkort worden genegeerd, gezien de manier waarop LIGWO de scheppingen van het universum ontdekt op een nooit eerder vertoonde schaal.
Sabine Hossenfelder