Over de indirecte ontdekking van zwaartekrachtsgolven

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).

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.

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.

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.

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.

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.