Zet die kosmische micro aan Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. Een nieuw werktuig laat sterrenkundigen voor het eerst ‘luisteren’ naar het Heelal.

Beschikbaar gesteld door Grant
/ Flickr en ESA / C Carreau

Op de morgen van 14 September 2015 bereikte het signaal van twee zwarte gaten die 1,3 miljard jaar geleden met elkaar botsten de Aarde. Dit maakte wetenschappers van gans de wereld wakker. “Het duurde een groot deel van de dag om onszelf ervan te overtuigen dat dit geen probeersel was”, zegt Professor Gabriela González. In feite was het de eerste gravitatiegolf die ooit waargenomen is en het nieuwste in de lange geschiedenis van de sterrenkunde.

Wanneer Galileo voor het eerst de telescoop gebruikte rond het jaar 1600 werd het voor de sterrenkundigen mogelijk om gedeelten van het Heelal te bekijken die met het naakte oog niet te zien waren. Dit was de aanloop tot eeuwen van ontdekking – van zodra de telescopen beter werden lieten ze nieuwe planeten, sterrenstelsels tot zelfs een glimp van het zeer jonge Heelal zien. In 2015 kregen de wetenschappers er een ander werktuig  van onschatbare waarde bij: de mogelijkheid om in het Heelal de gravitatiegolven te ‘horen’.

Rimpels in de ruimte-tijd

Newton omschreef gravitatie als een kracht. De meeste van de verschijnselen die plaatsgrijpen op de Aarde kunnen op die manier verklaard  worden. Bijvoorbeeld dat de kracht van de gravitatie inwerkend op een appel deze doet vallen van een boom op een persoon die van niets weet die eronder zit. Om gravitatie te verklaren op een kosmische schaal zullen we moeten wachten op Einstein die gravitatie omschreef als het vervormen van de ruimte-tijd zelf.

Sommige fysici maken gebruik van een bowlingbal en een laken om dit proces te omschrijven. Bekijk ruimte-tijd als een laken. Een bowlingbal geplaatst in het midden van het laken vervormt het weefsel errond. Hoe zwaarder een voorwerp is, hoe dieper het zinkt. Als je de bal doet bewegen over het weefsel veroorzaakt  deze rimpels zoals een boot dat doet bij het voortbewegen door water.

Simulatie van twee zwarte gaten die samensmelten en resulterende emissie van gravitatiestraling
Beschikbaar gesteld door NASA / C Henze
 

“De kromming die de Aarde doet wentelen rond de Zon – de Zon is de bowlingbal in het weefsel en het is die vervorming in het weefsel die de Aarde rondjes laat maken”, legt González uit, die de woordvoerster is van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Alles dat massa heeft – planeten, sterren en personen – drukt op het weefsel van de ruimte-tijd en veroorzaakt gravitatiegolven als het door de ruimte beweegt. Deze golven lopen gans de tijd door ons, maar zijn veel te zwak om te detecteren.

Om deze ongrijpbare signalen te vinden hebben fysici LIGO gebouwd, twee identieke observatoria in Louisiana en Washington (VSA). In iedere L-vormige detector, wordt een laserbundel gesplitst en in twee 4 km lange armen gestuurd. De bundels kaatsen terug op de spiegels op ieder uiteinde en keren dan terug om samen te komen. Een voorbijkomende gravitatiegolf verandert de relatieve lengtes van de armen een beetje, de baan van de laserbundel verschuift daarbij en veroorzaakt een verandering die fysici kunnen detecteren.

In tegenstelling met telescopen die gericht zijn naar zeer specifieke delen van de hemel, scannen detectors zoals LIGO een veel groter gebied van het Heelal en beluisteren bronnen uit alle richtingen. “Detectors voor gravitatiegolven gelijken op micro’s”, zegt Laura Nuttall, een post-doc onderzoeker aan de Syracuse Universiteit (VSA).

Eerste waarnemingen

Op die morgen in September van 2015, wanneer de eerste gravitatiegolf door de twee detectors liep, was LIGO nog altijd zich aan het klaarmaken om waarnemingen te doen. Onderzoekers  waren nog altijd testen en diagnoses aan het uitvoeren gedurende de dag – dat is waarom het nodig was dat een groot aantal controles en analyses uitgevoerd werden om er zeker van te zijn dat het een echt signaal betrof.

Maanden later, eens de onderzoekers uiterst precies de gegevens op fouten of ruis (zoals bliksem of aardbevingen) gecontroleerd hadden, maakte het LIGO wereldwijd bekend dat ze eindelijk een langverwacht doel bereikt hadden: bijna 100 jaar nadat Einstein voor het eerst voorspelde dat gravitatiegolven moeten bestaan, hadden wetenschappers die ontdekt.

Enkele maanden nadat het eerste signal aankwam, detecteerde LIGO nog een ander botsing van zwart gaten. “Het vinden van een tweede bewijst dat er genoeg bronnen zijn die gravitatiegolven kunnen veroorzaken”, zegt Nuttall. “We zijn voor het ogenblik een observatorium geworden.”

Zicht vanuit de lucht van de LIGO detector voor gravitatiegolven  in Livingston, Louisiana
Beschikbaar gesteld door LIGO / Penn State; bron van beeld: Flickr

Kosmische micro’s

Velen hebben die detectie omschreven als de dageraad van het tijdperk van de sterrenkunde van de gravitatiegolven. Wetenschappers verwachten honderden, misschien zelfs duizenden, van die binaire zwarte gaten te “horen” in de volgende jaren. Detectors voor gravitatiegolven zullen ook toelaten dat sterrenkundigen veel meer van dichtbij andere sterrenkundige verschijnselen te zien krijgen, zoals neutronensterren, supernovae en zelfs de Big Bang.

Een belangrijke volgende stap is het detecteren van de optische tegenhangers van de bronnen van de gravitatiegolven – zoals licht van de omringende materie of uitbarstingen van gammastralen. Om dit te doen moeten sterrenkundigen hun telescopen richten op het gebied van de hemel waar de gravitatiegolven vandaan komen om enig waarneembaar licht te vinden.  

Voor het ogenblik is dat even moeilijk als het vinden van een naald in een hooiberg. Omdat het zichtveld van detectors voor gravitatiegolven heelwat groter is dan bij telescopen, is het uiterst moeilijk om de twee aan elkaar te verbinden. “Voor het eerst gravitatiegolven met licht verbinden zal zo’n belangrijke ontdekking zijn dat het zeker de moeite waard zal zijn ernaar te zoeken”, zegt Edo Berger, een professor sterrenkunde aan de Harvard Universiteit.

LIGO is slechts een van de verschillende observatoria voor gravitatiegolven. Andere observatoria aan het oppervlak van de Aarde, zoals Virgo in Italië, KAGRA in Japan en het toekomstige LIGO India hebben dezelfde gevoeligheden als LIGO. Er zijn ook andere benaderingen die gebruikt worden door wetenschappers – of die ze plannen te gebruiken in de toekomst – om gravitatiegolven te detecteren met compleet verschillende frequenties.

Artistieke impressie van gravitatiegolven veroorzaakt door twee neutronensterren
Beschikbaar gesteld door Penn State; bron van beeld: Flickr
 

De evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), is bijvoorbeeld een detector voor gravitatiegolven die fysici plannen in de ruimte te bouwen. Eénmaal gereed, zal de eLISA samengesteld zijn uit drie ruimtetuigen die zich op meer dan een miljoen kilometer van elkaar bevinden, zodat ze gevoelig zullen zijn voor gravitatiegolven met veel lagere frequenties, waarbij wetenschappers verwachten superzware zwarte gaten te ontdekken.

“Pulsar array timing” is een compleet verschillende manier van detectie. Pulsars zijn natuurlijke uurwerken, die met regelmaat bundels elektromagnetische straling uitzenden. Sterrenkundigen meten nauwkeurig de aankomsttijd van de pulsen om afwijkingen te vinden. Als een gravitatiegolf voorbij komt wordt de ruimte-tijd verwrongen en verandert de afstand tussen ons en de pulsar zodat de pulsen een iets vroeger of later aankomen. Deze methode is gevoelig voor zelfs lagere frequenties dan deze die eLISA kan detecteren.

Deze en veel andere observatoria zullen een nieuw zicht op het Heelal geven en de wetenschappers helpen verschijnselen zoals het samensmelten van zwarte gaten te bestuderen, de modellen over de gravitatie te testen en waarschijnlijk zelfs iets compleet onverwachts te ontdekken, zegt Daniel Holz, een professor fysica en sterrenkunde van de Universiteit van Chicago. “Gewoonlijk gaat men in de wetenschap beetje bij beetje vooruit, maar in dit geval, openen we een volledig nieuwe horizon.”

Dankbetuiging

Dit artikel is gemaakt met de vriendelijke toelating van het Symmetry tijdschriftw1 waarin het oorspronkelijk is gepubliceerd.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Het Symmetry tijdschrift is een gratis online publicatie dat gaat over deeltjesfysica. Het wordt gezamelijk gepubliceerd door het Fermi National Accelerator Laboratory en SLAC National Accelerator Laboratory (VSA).

Author(s)

Diana is een freelance wetenschappelijke journaliste met verblijfplaats in Berlijn (Duitsland). Haar werk verscheen zowel gedrukt als online in verschillende uitgaven waaronder Scientific American, Quartz en New Scientist.


Review

Groot nieuws voor ons allemaal – na jaren van zoeken naar gravitatiegolven, hebben wetenschappers ze eindelijk ontdekt. Dit artikel is een goed leesstukje voor leraren fysica en natuurwetenschappen. Het kan gebruikt worden als een platform voor discussie in klas, voornamelijk focuserend op de problemen in verband met het detecteren van gravitatiegolven, maar nog meer op hun toepassingen in het dagelijks leven.


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-ND