Trillingen in ruimte-tijd werden ontdekt een eeuw nadat ze waren voorspeld door Einstein. Een nieuw tijdperk in de astronomie begint.
Wetenschappers waren in staat om fluctuaties in ruimte-tijd te detecteren die werden veroorzaakt door het samensmelten van zwarte gaten. Dit gebeurde honderd jaar nadat Albert Einstein deze "zwaartekrachtgolven" voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie, en honderd jaar nadat natuurkundigen ernaar op zoek waren gegaan.
Deze baanbrekende ontdekking werd vandaag gerapporteerd door onderzoekers van het LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Ze bevestigden de geruchten rond de analyse van de eerste set gegevens die ze in maanden hadden verzameld. Astrofysici zeggen dat de ontdekking van zwaartekrachtgolven een nieuwe kijk op het universum mogelijk maakt en het mogelijk maakt om verre gebeurtenissen te herkennen die niet kunnen worden gezien met optische telescopen, maar je kunt hun zwakke trillingen voelen en zelfs horen die ons door de ruimte bereiken.
“We hebben zwaartekrachtgolven gedetecteerd. We hebben het gedaan! kondigde David Reitze, uitvoerend directeur van het 1.000 leden tellende onderzoeksteam, vandaag aan op een persconferentie in Washington bij de National Science Foundation.
Zwaartekrachtgolven zijn misschien wel het meest ongrijpbare fenomeen uit de voorspellingen van Einstein, de wetenschapper besprak dit onderwerp decennia lang met zijn tijdgenoten. Volgens zijn theorie vormen ruimte en tijd uitrekkende materie, die buigt onder invloed van zware voorwerpen. De zwaartekracht voelen betekent in de bochten van deze materie komen. Maar kan deze ruimte-tijd beven als de huid van een trommel? Einstein was in de war, hij wist niet wat zijn vergelijkingen betekenden. En hij veranderde herhaaldelijk zijn standpunt. Maar zelfs de meest trouwe aanhangers van zijn theorie waren van mening dat zwaartekrachtsgolven te zwak waren om hoe dan ook te worden waargenomen. Ze stromen naar buiten na bepaalde rampen, en terwijl ze bewegen, strekken en krimpen ze beurtelings de ruimte-tijd. Maar tegen de tijd dat deze golven de aarde bereiken,ze strekken en comprimeren elke kilometer ruimte met een fractie van de diameter van een atoomkern.
LIGO-observatoriumdetector in Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Promotie video:
Het vergde geduld en voorzichtigheid om deze golven te detecteren. Het LIGO-observatorium lanceerde laserstralen heen en weer langs vier kilometer lange rechthoekige bochten van twee detectoren, een in Hanford, Washington en de andere in Livingston, Louisiana. Dit werd gedaan op zoek naar samenvallende uitbreidingen en contracties van deze systemen tijdens het passeren van zwaartekrachtgolven. Met behulp van de modernste stabilisatoren, vacuüminstrumenten en duizenden sensoren maten de wetenschappers veranderingen in de lengte van deze systemen, die slechts een duizendste van de grootte van een proton bedroegen. Een dergelijke gevoeligheid van instrumenten was honderd jaar geleden ondenkbaar. Het leek ook ongelooflijk in 1968, toen Rainer Weiss van het Massachusetts Institute of Technology een experiment bedacht dat LIGO heette.
“Het is een groot wonder dat ze er uiteindelijk in zijn geslaagd. Ze waren in staat om deze kleine trillingen te detecteren! - zei de theoretisch natuurkundige van de Universiteit van Arkansas, Daniel Kennefick, die in 2007 het boek Travelling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Reizen met de snelheid van het denken. Einstein en de zoektocht naar gravitatiegolven) schreef.
Deze ontdekking markeerde het begin van een nieuw tijdperk in de gravitatiegolfastronomie. We hopen dat we meer accurate ideeën zullen hebben over de vorming, samenstelling en galactische rol van zwarte gaten - deze superdense ballen van massa die ruimte-tijd zo dramatisch vervormen dat zelfs licht daar niet uit kan ontsnappen. Wanneer zwarte gaten dicht bij elkaar komen en samensmelten, genereren ze een impulssignaal - ruimte-tijd-oscillaties die toenemen in amplitude en toon, en dan abrupt eindigen. De signalen die door het observatorium kunnen worden opgenomen, bevinden zich in het audiobereik, maar zijn te zwak om met het blote oor te worden gehoord. U kunt dit geluid opnieuw creëren door uw vingers over de pianotoetsen te bewegen. "Begin bij de laagste noot en werk door tot de derde octaaf", zei Weiss. "Dit is wat we horen."
Natuurkundigen staan nu al versteld van het aantal en de sterkte van de signalen die op dit moment zijn geregistreerd. Dit betekent dat er meer zwarte gaten in de wereld zijn dan eerder werd gedacht. "We hebben geluk, maar ik heb altijd op zoveel geluk gerekend", zei Caltech-astrofysicus Kip Thorne, die LIGO creëerde met Weiss en Ronald Drever, die ook van Caltech zijn. "Dit gebeurt meestal wanneer een volledig nieuw venster wordt geopend in het universum."
Nadat we zwaartekrachtgolven hebben afgeluisterd, kunnen we totaal verschillende ideeën over de ruimte vormen, en misschien zullen we onvoorstelbare kosmische verschijnselen ontdekken.
"Ik kan dit vergelijken met het moment waarop we voor het eerst een telescoop in de lucht richtten", zei theoretisch astrofysicus Janna Levin van Barnard College, Columbia University. "Mensen realiseerden zich dat er iets was, en je kunt het zien, maar ze konden de ongelooflijke reeks mogelijkheden die er in het universum bestaan niet voorspellen." Evenzo, merkte Levin op, zou de ontdekking van zwaartekrachtsgolven kunnen aantonen dat het universum "vol is met donkere materie die we niet zomaar met een telescoop kunnen detecteren".
Het verhaal van de ontdekking van de eerste zwaartekrachtgolf begon op maandagochtend in september en begon met een klap. Het signaal was zo duidelijk en luid dat Weiss dacht: "Nee, dit is onzin, er komt niets van."
Intensiteit van emoties
Deze eerste zwaartekrachtgolf vloog over de geüpgradede detectoren van LIGO - eerst in Livingston en zeven milliseconden later in Hanford - tijdens een simulatie die vroeg in de ochtend van 14 september plaatsvond, twee dagen voor de officiële start van de gegevensverzameling.
De detectoren waren "ingereden" na een upgrade van vijf jaar die $ 200 miljoen kostte. Ze zijn uitgerust met nieuwe spiegels voor ruisonderdrukking en een actief feedbacksysteem om externe trillingen in realtime te onderdrukken. De upgrade gaf het verbeterde observatorium een hoger gevoeligheidsniveau dan de oude LIGO, die tussen 2002 en 2010 "absoluut en puur nul" vond, zoals Weiss het uitdrukte.
Toen in september het sterke signaal kwam, begonnen wetenschappers in Europa, waar het op dat moment ochtend was, hun Amerikaanse collega's haastig te bombarderen met e-mails. Toen de rest van de groep wakker werd, verspreidde het nieuws zich heel snel. Bijna iedereen was hier sceptisch over, zei Weiss, vooral toen ze het signaal zagen. Het was een echte schoolboekklassieker, en daarom dachten sommige mensen dat het nep was.
Misvattingen in de zoektocht naar zwaartekrachtgolven zijn vele malen herhaald sinds het eind van de jaren zestig, toen Joseph Weber van de Universiteit van Maryland geloofde dat hij resonerende trillingen had gevonden in een aluminium cilinder met sensoren als reactie op golven. In 2014 vond een experiment met de naam BICEP2 plaats, volgens de resultaten waarvan werd aangekondigd dat de oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven werden gedetecteerd - de ruimte-tijd-oscillaties van de oerknal, die zich nu hebben uitgestrekt en permanent bevroren in de geometrie van het universum. Wetenschappers van het BICEP2-team kondigden hun ontdekking met veel tamtam aan, maar daarna werden hun resultaten onafhankelijk geverifieerd, waarbij bleek dat ze ongelijk hadden en dat dit signaal afkomstig was van kosmisch stof.
Toen de kosmoloog Lawrence Krauss van de Arizona State University hoorde over de ontdekking van het LIGO-team, dacht hij eerst dat het een "blind spul" was. Tijdens de werking van het oude observatorium werden gesimuleerde signalen stiekem in datastromen ingevoegd om de respons te controleren, en het grootste deel van het team wist er niets van. Toen Krauss van een goed geïnformeerde bron hoorde dat het dit keer geen "blind proppen" was, kon hij zijn vreugdevolle opwinding nauwelijks bedwingen.
Op 25 september twitterde hij naar zijn 200.000 Twitter-volgers: “Geruchten over een zwaartekrachtgolf gedetecteerd op de LIGO-detector. Verbazingwekkend als het waar is. Ik zal je de details geven, als het geen lindeboom is. " Dit wordt gevolgd door een bericht van 11 januari: “Eerdere geruchten over LIGO zijn bevestigd door onafhankelijke bronnen. Volg het nieuws. Misschien worden zwaartekrachtgolven ontdekt!"
Het officiële standpunt van de wetenschappers was als volgt: verspreid niet over het ontvangen signaal voordat er honderd procent zekerheid is. Thorne, aan handen en voeten gebonden door deze verplichting tot geheimhouding, zei zelfs niets tegen zijn vrouw. 'Ik heb het alleen gevierd', zei hij. Om te beginnen besloten de wetenschappers terug te gaan naar het allereerste begin en alles tot in het kleinste detail te analyseren om erachter te komen hoe het signaal zich voortplant door de duizenden meetkanalen van verschillende detectoren, en om te begrijpen of er iets vreemds was op het moment dat het signaal werd gedetecteerd. Ze vonden niets bijzonders. Ze elimineerden ook de hackers die tijdens het experiment het beste hadden moeten weten van de duizenden datastromen. "Zelfs als het team erin gooit, zijn ze niet perfect genoeg en laten ze veel voetafdrukken achter", zei Thorne. "En er waren hier geen sporen."
In de weken die volgden, hoorden ze een ander, zwakker signaal.
Wetenschappers analyseerden de eerste twee signalen en ze ontvingen er steeds meer. In januari presenteerden ze hun research papers in Physical Review Letters. Dit probleem staat vandaag op internet. Volgens hun schattingen overschrijdt de statistische significantie van het eerste, krachtigste signaal de "5-sigma", wat betekent dat onderzoekers 99,9999% vertrouwen hebben in de authenticiteit ervan.
Luisteren naar de zwaartekracht
De vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie van Einstein zijn zo complex dat het de meeste natuurkundigen 40 jaar kostte om het eens te worden: ja, zwaartekrachtgolven bestaan en kunnen worden gedetecteerd - zelfs theoretisch.
Aanvankelijk dacht Einstein dat objecten geen energie konden afgeven in de vorm van gravitatiestraling, maar toen veranderde hij zijn standpunt. In zijn historisch werk, geschreven in 1918, liet hij zien welke objecten dit kunnen: haltervormige systemen die gelijktijdig rond twee assen draaien, bijvoorbeeld dubbelsterren en supernovae die exploderen als vuurwerk. Zij zijn het die golven kunnen genereren in ruimte-tijd.
Computermodel dat de aard van gravitatiegolven in het zonnestelsel illustreert
Foto: REUTERS, Hand-out
Maar Einstein en zijn collega's bleven aarzelen. Sommige natuurkundigen hebben betoogd dat zelfs als er golven bestaan, de wereld ermee zal trillen en dat het onmogelijk zal zijn om ze te voelen. Pas in 1957 sloot Richard Feynman de vraag af door in een gedachte-experiment aan te tonen dat als er zwaartekrachtgolven bestaan, ze theoretisch kunnen worden gedetecteerd. Maar niemand wist hoe vaak deze halterstelsels in de ruimte waren, of hoe sterk of zwak de resulterende golven waren. "Uiteindelijk was de vraag: kunnen we ze ooit vinden?" Zei Kennefick.
In 1968 was Rainer Weiss een jonge professor aan het Massachusetts Institute of Technology en kreeg hij de toewijzing om een cursus algemene relativiteitstheorie te geven. Als experimentator wist hij er weinig van, maar plotseling was er nieuws over Webers ontdekking van zwaartekrachtgolven. Weber bouwde drie resonantiedetectoren ter grootte van een bureau uit aluminium en plaatste ze in verschillende Amerikaanse staten. Nu zei hij dat alle drie de detectoren 'het geluid van zwaartekrachtgolven' hadden opgenomen.
Weiss's studenten werd gevraagd om de aard van zwaartekrachtgolven uit te leggen en hun mening te geven over de boodschap die klonk. Bij het bestuderen van de details was hij verbaasd over de complexiteit van de wiskundige berekeningen. 'Ik kon er niet achter komen wat Weber in godsnaam aan het doen was, hoe de sensoren omgaan met de zwaartekrachtgolf. Ik zat lange tijd en vroeg me af: "Wat is het meest primitieve dat ik kan bedenken om zwaartekrachtgolven te detecteren?" En toen kwam er een idee bij me op, dat ik de conceptuele basis van LIGO noem."
Stel je drie objecten in ruimte-tijd voor, bijvoorbeeld spiegels op de hoeken van een driehoek. 'Stuur een lichtsignaal van de een naar de ander,' zei Weber. "Kijk hoe lang het duurt om van de ene massa naar de andere te gaan, en controleer of de tijd is veranderd." Het blijkt, merkte de wetenschapper op, dat dit snel kan. “Ik heb dit als wetenschappelijke opdracht aan mijn studenten toevertrouwd. Letterlijk kon de hele groep deze berekeningen doen."
In de daaropvolgende jaren, toen andere onderzoekers probeerden de resultaten van Weber's experiment met een resonantiedetector te repliceren, maar voortdurend faalden (het is niet duidelijk wat hij waarnam, maar dit waren geen zwaartekrachtgolven), begon Weiss een veel nauwkeuriger en ambitieuzer experiment voor te bereiden: de zwaartekrachtgolfinterferometer. De laserstraal weerkaatst door drie L-vormige spiegels om twee stralen te vormen. De afstand tussen de pieken en dalen van lichtgolven geeft nauwkeurig de lengte aan van de "G" -knieën die de X- en Y-assen van de ruimtetijd vormen. Als de weegschaal stilstaat, weerkaatsen de twee lichtgolven uit de hoeken en heffen ze elkaar op. Het signaal in de detector is nul. Maar als een zwaartekrachtgolf door de aarde gaat, strekt deze zich uit over de lengte van de ene arm van de letter "G" en comprimeert de lengte van de andere (en vice versa). De mismatch van de twee lichtbundels creëert een signaal in de detector, dat kleine fluctuaties in de ruimte-tijd laat zien.
Aanvankelijk waren collega-fysici sceptisch, maar al snel vond het experiment steun in de persoon van Thorne, wiens groep theoretici van Caltech zwarte gaten en andere mogelijke bronnen van zwaartekrachtgolven onderzocht, evenals de signalen die ze genereren. Thorne werd geïnspireerd door het experiment van Weber en soortgelijke inspanningen van Russische wetenschappers. Na in 1975 op een conferentie met Weiss te hebben gesproken: "Ik begon te geloven dat de detectie van zwaartekrachtgolven succesvol zou zijn", zei Thorne. "En ik wilde dat Caltech hier ook bij betrokken zou worden." Hij regelde met het instituut een afspraak om de Schotse experimentator Ronald Driever in te huren, die ook aankondigde een gravitatiegolf-interferometer te bouwen. Na verloop van tijd begonnen Thorne, Driver en Weiss als een team te werken, waarbij elk van hen hun eigen deel van de talloze problemen oploste ter voorbereiding op een praktisch experiment. Het trio vormde LIGO in 1984, en toen prototypes werden gebouwd en een groeiend team begon, ontvingen ze begin jaren negentig $ 100 miljoen aan financiering van de National Science Foundation. Er werden blauwdrukken gemaakt voor de constructie van een paar gigantische L-vormige detectoren. Een decennium later begonnen de detectoren te werken.
In Hanford en Livingston, in het midden van elk van de vier kilometer lange bochten van de detectoren, heerst een vacuüm, waardoor de laser, zijn straal en spiegels maximaal worden geïsoleerd van de constante trillingen van de planeet. Om nog meer te verzekeren, monitoren LIGO-wetenschappers hun detectoren tijdens hun werking met duizenden instrumenten, waarbij ze alles meten wat ze kunnen: seismische activiteit, atmosferische druk, bliksem, kosmische straling, trillingen van apparatuur, geluiden in het gebied van de laserstraal, enzovoort. Vervolgens filteren ze deze ongewenste achtergrondruis uit hun gegevens. Misschien is het belangrijkste dat ze twee detectoren hebben, waardoor je de ontvangen gegevens kunt vergelijken en ze kunt controleren op de aanwezigheid van samenvallende signalen.
Binnen het ontstane vacuüm, zelfs wanneer de lasers en spiegels volledig geïsoleerd en gestabiliseerd zijn, "gebeuren er voortdurend vreemde dingen", zegt Marco Cavaglià, plaatsvervangend woordvoerder van het LIGO-project. Wetenschappers moeten deze "goudvissen", "geesten", "onbegrijpelijke zeemonsters" en andere externe trillingsverschijnselen opsporen en hun bron achterhalen om ze te elimineren. Een moeilijk geval deed zich voor tijdens de validatiefase, zei Jessica McIver, een onderzoekswetenschapper bij het LIGO-team, die dergelijke externe signalen en interferentie bestudeert. Een reeks periodieke enkelvoudige frequentieruis kwam vaak voor in de gegevens. Toen zij en haar collega's de trillingen van de spiegels omzetten in audiobestanden, "rinkelde de telefoon duidelijk", zei McIver. "Het bleekdat het de adverteerders van communicatie waren die binnen de laserkamer belden.
In de komende twee jaar zullen wetenschappers de gevoeligheid van de detectoren van het gemoderniseerde Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory LIGO blijven verbeteren. En in Italië zal een derde interferometer, Advanced Virgo genaamd, gaan werken. Een antwoord dat de verkregen gegevens zullen helpen geven, is hoe zwarte gaten worden gevormd. Zijn ze het product van de ineenstorting van de vroegste zware sterren, of zijn ze het resultaat van botsingen binnen dichte sterrenhopen? "Dit zijn slechts twee aannames, ik neem aan dat er meer zullen zijn als iedereen kalmeert", zegt Weiss. Terwijl LIGO nieuwe statistieken begint te verzamelen in de loop van zijn aanstaande werk, zullen wetenschappers beginnen te luisteren naar verhalen over de oorsprong van zwarte gaten die de ruimte hen zal fluisteren.
In vorm en grootte ontstond het eerste, luidste gepulseerde signaal 1,3 miljard lichtjaar van waaruit, na een eeuwigheid van langzame dans, onder invloed van wederzijdse aantrekkingskracht twee zwarte gaten, elk ongeveer 30 keer de massa van de zon, samenvloeiden. Zwarte gaten cirkelden steeds sneller rond, als een draaikolk, en kwamen geleidelijk dichterbij. Toen was er een samensmelting en in een oogwenk lieten ze zwaartekrachtgolven los met een energie vergelijkbaar met die van drie zonnen. Deze fusie werd het krachtigste energetische fenomeen dat ooit is opgetekend.
'Het is alsof we de oceaan nog nooit hebben gezien tijdens een storm,' zei Thorne. Hij wacht al sinds de jaren zestig op deze storm in de ruimte-tijd. Het gevoel dat Thorne ervoer toen de golven naar binnen rolden, was niet bepaald opwinding, zegt hij. Het was iets anders: een gevoel van diepste voldoening.
