16 juli 2020

Over de indirecte ontdekking van zwaartekrachtsgolven

Credit: Hulse & Taylor.

We mogen gerust stellen het wetenschappelijke nieuws afgelopen week voor 90% in het teken stond van de ontdekking met de BICEP2 detector van primordiale zwaartekrachtsgolven, afkomstig uit de inflatieperiode van de oerknal. De zwaartekrachtsgolven – ook wel gravitatiegolven genoemd, rimpels in de ruimte en tijd – zijn niet direct waargenomen, wel de polarisatie die ze hebben veroorzaakt in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, de zogenaamde B-mode polarisatie. Ik heb in de eerste zin het woord primordiale bewust gearciveerd, want niet-primordiale zwaartekrachtsgolven, zijn eerder al op indirecte wijze ontdekt en wel door de sterrenkundigen Russell Alan Hulse en Joseph Hooton Taylor Jr. (University of Massachusetts Amherst). Het is denk ik goed om door het mediageweld van afgelopen week – waar ik zelf ook aan heb bijgedragen, mea culpa – de BICEP2 ontdekking even in perspectief te plaatsen en dé eer voor de ontdekking van zwaartekrachtsgolven te plaatsen bij Hulse en Taylor.
Met de grote 305 meter (!) radiotelescoop van Arecibo op Puerto Rico (zie hieronder) namen zij in 1974 radiostraling van een pulsar waar, die PSR B1913+16 wordt genoemd, 21.000 lichtjaar van ons vandaan in het sterrenbeeld Arend (Aquila).

Arecibo Observatory. Credit: JidoBG / Wikipedia

Een pulsar is feitelijk een neutronenster, een zeer compact object, ongeveer 1,4 keer de zonsmassa gepropt in een bol met een diameter van zo’n 20 km, die vanuit z’n magnetische polen bundels van zeer energierijke straling uitzend. Deze pulsar bleek 17 keer per seconde om z’n as te draaien en de periode van de waargenomen pulsen bedroeg 59,02999792988 milliseconden. Vervolgens bleek dat de aankomsttijden van de pulsen regelmatig varieerden met drie seconden, soms arriveerden ze iets eerder, soms iets later dan verwacht, en met een periode van 7,75 uur. Er was maar één verklaring hiervoor mogelijk: er moest nog een object bij PSR B1913+16 in de buurt zijn en beiden zouden met een periode van 7,75 uur om een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien.

Credit: Joaquim A. Batlle, Rosario López / Illustra.

De diameter van de baan van PSR B1913+16 bleek precies drie lichtseconden te zijn, ongeveer de diameter ook van de zon. Op grond van de beweging van PSR B1913+16 konden Hulse en Taylor de massa van de pulsar en z’n begeleider meten: beiden 1,4 zonsmassa, de totale massa van het systeem kon heel nauwkeurig gemeten worden: 2,828378 zonsmassa. Op grond van deze massabepaling en het gemis aan enige straling van de begeleider konden Hulse en Taylor vaststellen dat die begeleider een neutronenster was. Direct zag het tweetal in dat dit een kans was om de Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein uit 1915 te testen. Deze voorspelde namelijk dat twee objecten die om elkaar heen draaien zwaartekrachtsgolven vanuit het gemeenschappelijk zwaartepunt kunnen uitzenden, precies zoals je in de afbeelding hierboven ziet. De golven zouden merkbaar moeten zijn als een afname in de periode van de omwenteling van de pulsar. Aangezien de pulsar met z’n zich continue herhalende pulsen als een zeer nauwkeurige natuurlijke klok werkt konden Hulse en Taylor de afname meten: per jaar blijkt de omwentelingsperiode 76,5 milliseconden kleiner te worden, zoals weergegeven in de grafiek hieronder.

Credit: Hulse & Taylor.

De halve lange as van de baan van PSR B1913+16 blijkt door het uitzenden van de zwaartekrachtsgolven jaarlijks 3,5 meter kleiner te worden. De verwachting is dat over zo’n 300 miljoen jaar PSR B1913+16 en z’n begeleider elkaar zullen raken en dan zullen samensmelten tot een zwart gat. Toen de gemeten afname in de omloopsnelheid van PSR B1913+16 vergeleken werd met de theoretische waarde volgens de ART – de blauwe lijn in de grafiek – bleek de gemeten waarde 0,997 ± 0,002 keer die van de theoretische waarde te zijn. Dit werd gezien als een uitstekende bevestiging van de ART van Einstein en het was tevens de eerste keer dat men er in geslaagd was om het bestaan van zwaartekrachtsgolven op indirecte wijze aan te tonen. In 1993 ontvingen Hulse en Taylor hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Voor de lezer die geïnteresseerd is in het oorspronkelijke artikel van Hulse en Taylor over hun ontdekking van PSR B1913+16, deze kan je hier vinden:

Discovery of a Pulsar in a binary System, The Astrophysical Journal 195, L51-L53, 1975 January 15.

Taylor bleef samen met Joel M. Weisberg onderzoek doen aan PSR B1913+16 en dat leidde tot nog nauwkeuriger metingen aan dit bijzondere systeem. In 2003 werd door andere sterrenkundigen nog een binaire pulsar ontdekt, PSR J0737-3039, en beiden vormen nu de enige bekende binaire pulsars. PSR J0737-3039 is wel heel bijzonder, want dat blijken twee pulsars te zijn (zie afbeelding hieronder). Ook daarmee heeft men de ART getest en wederom bleken de resultaten in overeenstemming te zijn met de theoretische voorspellingen van de ART.

Credit: Michael Kramer (Jodrell Bank Observatory, University of Manchester)

Volgende maand – zaterdag 5 april om precies te zijn – wordt in Dwingeloo de radiotelescoop na een lange restauratieperiode officieel geopend en die plechtigheid zal gedaan worden door niemand minder dan… Joseph Taylor! 😀 Hieronder de opgeknapte telescoop, die nu beheerd wordt door de radioamateurs van stichting CAMRAS.

Credit: CAMRAS.

Het interessante is dat met deze telescoop ook radiosignalen afkomstig van pulsars kunnen worden ‘gehoord’. Toen ik jaren terug samen met Jan Brandt een bezoek bracht aan de Dwingeloo radiotelescoop – dat was nog voor de restauratie – konden we letterlijk de pulsen van een pulsar horen, eentje die 1 keer per 0,7 seconde rondtolde. Bron: Wikipedia.

Comments

  1. Theo Lockefeer zegt

    Wat mij opvalt in de berichtgeving over dit onderwerp is dat de naam
    Einstein relatief weinig voorkomt terwijl zijn genialiteit ook nu weer blijkt
    of is dit een geval van selectieve perceptie 🙂

    • Enceladus Enceladus zegt

      Ha, nog een Einstein-fan! 🙂

      Hawking is beslist een grote, maar voorlopig schat ik Einstein als het grootste genie op zijn vakgebied in.

      Een paar jaar geleden heb ik echter een filmpje van een heel jong kind gezien dat allerlei natuurkundige formules opschreef, alsof het niks was. Dat jochie zou wel eens het volgende genie kunnen worden.
      Helaas ben ik de link naar het YouTube-filmpje kwijt. Iemand die weet waar ik op doel en dat linkje nog wel heeft?

      groet,
      Gert (Enceladus)

      • Bedoel je deze soms? https://www.youtube.com/watch?v=4Myy_BBBMG8 Helemaal aan het eind gaat dat joch formules opschrijven op het schoolbord.

        • Enceladus Enceladus zegt

          Het zou hetzelfde jochie kunnen zijn, maar nu een paar jaar later. Wat ik gezien heb was een behoorlijk jong kind dat formules op de ramen schreef in zijn ouderlijk huis. Zijn ouders konden hem niet meer stoppen en het duurde even totdat ze begrepen dat ze een klein genie op de wereld hebben gezet.

          Als die knul niks overkomt, dan horen we binnen een jaar of vijf wel iets van hem en ik vermoed dat zijn ideeën weleens revolutionair zouden kunnen zijn. Want laten we wel wezen: een zeven- of achtjarige die formules uit zijn mouw schudt alsof het de normaalste zaak van de wereld is, die maakt zelfs van de allerslimste persoon hier op Astroblogs nog een intellectuele dwerg.

          groet,
          Gert (Enceladus)

  2. Je hebt helemaal gelijk, al die waarnemingen bevestigen hetgeen Einstein bijna honderd jaar geleden al voorspelde, al had hij toen geen enkel voorstellingsvermogen van de implicaties van zijn theorie. Pulsars, oerknal, zwarte gaten, het was in die tijd allemaal niet bekend. Dit herinnert mij er overigens aan dat volgend jaar wat dat betreft een jubileumjaar is, want dan is het precies honderd jaar geleden dat Einstein met z’n ART kwam. Daar zal nog menig Astroblog aan gewijd worden. 😀

  3. 21.000 lichtjaar is best wel relatief gezien dichtbij voor een nieuw zwart gat ,

    • Theo Lockefeer zegt

      @ Edu : hoezo ? die kunnen in principe toch nog veel dichterbij zijn ?

      • Inderdaad…..melkweg 100.000LY doorsnede…..21.000LY is een flinke hap van de melkweg. Laat daar zo’n 25miljard (ruwweg 1/16 van totaal) sterren een thuis hebben, hoeveel van de wat grotere sterren is al aan zijn eind gekomen als zwart gat?

        De dichtsbijzijnde ster is 4.22LY, dus nieuwe zwarte gaten kunnen op een afstand van 4.22LY en verder ontstaan.

        Daar komt bij dat zwarte gaten niet alleen kunnen worden ontstaan uit massa, zoals een ster die sterft. Maar ook door pure energie (denk aan Cern die “mogelijk” micro zwarte gaatjes zou creeren met die energie rijke botsingen). Er hoeft niet perse een ster te sterven om een zwart gat erbij te krijgen. Alleen zijn die energie-gemaakte zwarte gaten bijna nooit stabiel en verdampen weer rap.

        • “kunnen worden ontstaan”…….sjeezus 🙂
          Die voormalige edit functie, tot 5 minuten na post, was best handig 🙂

          • Theo+Lockefeer zegt

            Ach K.J. daar less ik gewoon ¨doorheen¨
            , bedankt voor je bijdrage !

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: