Zwaartekrachtgolven ontdekt: Einsteins 100 jaar oude theorie eindelijk bevestigd

1,3 miljard jaar geleden kwam één zwart gat met de massa van 39 zonnen een neefje met een massa van 26 zonnen tegen. Die dramatische ontmoeting eindigde in één zwart gat van ‘slechts’ 65 zonnen. De overige drie werden in de laatste fracties van een seconde van het samensmelten omgezet in meetbare zwaartekrachtgolven. Die reisden 1,3 miljard jaar lang doorheen het ruimte-tijdscontinuüm om uiteindelijk gemeten te worden door de LIGO-detectoren. Die detectoren kregen pas een upgrade die hun precisie naar boven haalde, waarna de golven op 14 september vorig jaar waargenomen werden. De ontdekking werd nu pas bekend gemaakt, omdat de wetenschappers vergissingen wilden uitsluiten. Dat gebeurde in een gezamenlijke verklaring van het Amerikaanse LIGO en het Europese Virgo.

Het belang van de ontdekking valt niet te overschatten. Zwaartekrachtgolven dragen informatie in zich over de oorsprong en de aard van zwaartekracht, de meest voelbare maar minst begrepen natuurkracht in het universum. Een beter begrip van zwaartekracht is nodig voor het vinden van een antwoord op elementaire vragen over alles om ons heen, van het ontstaan over de huidige situatie tot de manier waarop alles zal eindigen. Met de ontdekking ontstaat een nieuw onderzoeksveld dat zich op die vragen kan toespitsen. Voorlopig ‘kijken’ we immers naar het heelal met telescopen die elektromagnetische straling waarnemen, maar het grote merendeel van wat er zich rondom ons bevindt geeft geen dergelijke straling af en was dus tot vandaag onzichtbaar.

Verstoringen in de ruimte-tijd

De detectoren zijn als twee ongelooflijk gevoelige oren, gepositioneerd aan weerskanten van de VS. Eén installatie staat in Livingston, de andere in Hanford. Iedere detector bestaat uit twee tunnels van elk vier kilometer lang. Door die tunnels schijnt een laser die weerkaatst op een spiegel. Erg gevoelige sensoren meten de afstand tussen de bron en de spiegels. Zwaartekrachtgolven verstoren het ruimte-tijdscontinuüm, waardoor de afstand van vier kilometer een klein beetje verandert wanneer er ééntje passeert.

Einstein voorspelde de zwaartekrachtgolven al in 1915 als onderdeel van zijn relativiteitstheorie, maar tot nu toe waren ze louter theoretisch. Niet omdat er niet naar gezocht werd: bij de LIGO-detector werken zo’n 1.000 mensen en dat instrument is maar één tool in de zoektocht naar de golven. Ook Europa was hard op zoek, onder andere met de VIRGO-detector en het LISA-project.

Golven in het water

Zwaartekrachtgolven zijn heel erg kort door de bocht als de rimpels die ontstaan wanneer je een steen in het water gooit. Iets minder ongenuanceerd zijn ze een vervorming in het ruimte-tijdscontinuüm. Dat continuüm is als een vlak, vergelijkbaar met een opgespannen lap stof. In onderstaand filmpje legt ESA-wetenschapper Paul McNamera erg visueel en duidelijk uit wat de golven precies zijn, en wat ze doen met het continuüm.

Een zware massa zoals een zwart gat of een ster weegt op de lap stof en vervormt ze. Andere massa’s, zoals planeten worden gegrepen door die vervorming, en draaien rond het zwaardere hemellichaam. Hoe groter de massa van een object, hoe groter de vervorming van de lap stof.

Wanneer bijvoorbeeld twee zwarte gaten dicht bij elkaar komen beïnvloeden ze elkaar. Eén zwart gat draait niet zomaar rond het andere, maar ze bewegen rond elkaar. De massa’s oscilleren en het ruimte-tijdscontinuüm oscilleert mee. Hoe dichter ze bij elkaar komen hoe groter het effect. De golven die in het continuüm ontstaan verspreiden zich naar buiten toe, terug naar analogie met de rimpels die ontstaan na de steen in de plas water. Net zoals die watergolven het wateroppervlak vervormen, vervormen de zwaartekrachtgolven het ruimte-tijdscontinuüm.

Variabele afstand

De LIGO-detector is gevoelig genoeg om een minuscule verandering in het continuüm te meten. De afstand tussen de twee punten zal door de golf immers even veranderen. Erg groot is die verandering hoegenaamd niet, waardoor de detectoren gevoelig zijn voor wijzigingen van minder dan één tienduizendste van de diameter van één proton. Een dergelijke verandering is nu waargenomen, en ze ziet er helemaal uit zoals wetenschappers destijds voorspelden.

LIGO bestaat niet voor niets uit twee detectoren ver van elkaar. Dat moet langs de ene kant om zeker te zijn dat waargenomen storingen zwaartekrachtgolven zijn. Andere astronomische fenomenen kunnen voor valse detecties zorgen, maar als beide installaties aan weerskanten van de VS hetzelfde waarnemen, dan is er geen twijfel meer mogelijk.

Langs de andere kant zorgen de twee detectoren voor een berg aan extra informatie. Gabby Gonzalez, woordvoerster van LIGO, vergelijkt de installaties met twee oren, en de zwaartekrachtgolven met geluidsgolven. Doordat de twee hoogtechnologische oren op een afstand van elkaar staan is het mogelijk om te bepalen waar de golf vandaan komt.

Zo weten de onderzoekers dat de ontdekte zwaartekrachtgolven in de zuidelijke hemel ontstonden. Ze weten verder wat voor hemellichamen er voor verantwoordelijk zijn: twee zwarte gaten met massa’s van respectievelijk 39 en 26 zonnen. Aan de golven zien ze bovendien hoeveel massa er (via E=MC²) in energie werd omgezet tijdens de botsing van de zwarte gaten: net zo veel als ongeveer drie zonnen. Die energie nam de vorm van de gedetecteerde golven aan.

Hoorbare ontdekking

Op de koop toe blijken de golven een frequentie te hebben die perfect omgezet kan worden naar een hoorbaar geluid. De golf zelf is zo kort dat wij enkel een klik horen, maar tijdens de persconferentie liet Gonzalez een vertraagde versie horen. De zwaartekrachtgolf klinkt als een korte tsjirp. De auditieve informatie is een rechtstreekse omzetting van een bestaande golf, zodat je vrij letterlijk kan stellen dat LIGO maar ook andere projecten in de toekomst naar verstoringen in het ruimte-tijdscontinuüm zullen luisteren.

Nu bewezen is dat de golven bestaan en dat de detectoren werken, komen er meer. Meerdere oren zullen wetenschappers nog meer en nog preciezere informatie geven over waar golven vandaan komen, op welke plaatsen ze ontstaan en uiteindelijk hoe de krachten in het universum werken.