24 mei 2019

Wat zijn zwaartekrachtsgolven eigenlijk?

Het zoemt de laatste dagen flink rond op internet dat ze met de advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detector in de VS, waarmee tot en met afgelopen dinsdag 12 januari metingen werden verricht in de eerste ’01 run’, twee gebeurtenissen hebben gedetecteerd, die zouden wijzen op zwaartekrachtsgolven, veroorzaakt door een botsing van twee zwarte gaten, ieder minstens tien zonsmassa zwaar. In alle berichten lees je meestal dat zwaartekrachtsgolven of gravitatiegolven, zoals ze ook wel worden genoemd, rimpels in de ruimtetijd zijn. Dat klopt op zich wel, maar het is wel een heel summiere omschrijving van dit bijzondere fenomeen. Tijd dus om er wat meer aandacht aan te besteden.

Newton en Einstein hadden verschillende theorieën over zwaartekracht

Eigenlijk moeten we het hele verhaal beginnen bij de zwaartekracht zelf, de natuurkracht die werkzaam is tussen massa’s en waar zowel Newton als Einstein een groot deel van hun wetenschappelijk werk aan besteden. Voor Newton was de zwaartekracht een kracht die werkt tussen massa’s en die afnam met een toenemende afstand tussen die massa’s. Voor Einstein was de zwaartekracht een gevolg van de invloed van massa op de ruimtetijd: massa zou de ruimtetijd doen krommen en die kromming zou merkbaar zijn als zwaartekracht.

Voortbordurend op zijn idee over zwaartekracht dacht Einstein, wiens Algemene Relativiteitstheorie vorig jaar november precies honderd jaar geleden werd opgesteld, dat het mogelijk was dat die kromming in de ruimte zou veranderen als grote massa’s snel zouden versnellen – in technische bewoordingen: bij het quadrupool moment van de verdeling van massa. Die verandering van de kromming zou vanuit de versnelde massa in de vorm van golven van de ruimte naar buiten verspreiden, net zoals de golven in het water als je er een steen in gooit. De zwaartekrachtsgolven zouden zich met de lichtsnelheid voortplanten en ze zouden de ruimte waar ze doorheen bewegen afwisselend doen vergroten en verkleinen, zoals weergegeven in de afbeelding hierboven. Net als golven in het water en de golven van elektromagnetische straling kunnen we de zwaartekrachtsgolven enkele eigenschappen toedichten, te weten:

  • ze hebben een amplitude, h genoemd. Dit is de grote van de golf, in de afbeelding hierboven aangegeven met de fractie waarmee de ruimte groter of kleiner wordt. Bij de afbeelding is h=0,50 (50%), bij echte zwaartekrachtsgolven is dat veel kleiner, in de orde van h ˜ 10-²º.
  • ze hebben een frequentie, hoe vaak de golf per seconde passeert, aangeduid met f. De golven die LIGO verwacht hebben een frequentie van ongeveer 100 Herz.
  • ze hebben een golflengte, de lengte tussen de punten van gelijke hoogte (pieken of dalen), aangeduid met λ.
  • tenslotte hebben ze een snelheid, waarmee ze zich voortplanten. Voor zwaartekrachtsgolven met kleine amplitudes is dat de lichtsnelheid, c.

Het is de vergroting en verkleining van de ruimte die ze met de advanced LIGO1 proberen te meten, de verbeterde versie van de oorspronkelijke LIGO detector, waarmee ze vanaf september vorig jaar zijn gaan meten. De amplitude van zwaartekrachtsgolven die de aarde passeren kan zoals je hierboven ziet zeer klein zijn, wel 1/10.000e van de grootte van een atoomkern. Advanced LIGO zijn eigenlijk twee detectoren, de ene in Livingston, Louisiana en de andere in Hanford, Washington. Beiden bestaan uit twee vier kilometer lange armen, die uitgerust zijn met laserstralen en zeer nauwkeurig opgestelde spiegels. Het idee is dat een passerende zwaartekrachtsgolf ervoor zorgt dat de arm in één richting eventjes kleiner wordt en de arm in de andere richting iets groter, iets wat in de afbeelding hieronder is weergegeven.

De lIGO detector in Hanford. Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

LIGO kan een amplitude meten van 10-²º meter. Als ze zo’n verandering van de lengte van de armen meten kan dat verschillende oorzaken hebben. Het zou kunnen gaan om trillingen die door voorbij rijdend verkeer wordt veroorzaakt – al lijkt dat daar in de verre, verlaten woestijn waar de detectoren bewust geplaatst zijn uitgesloten te zijn – of die door aardbevingen komen, het zou ook om trillingen kunnen gaan die een buitenaardse oorsprong hebben. Hieronder zie je een illustratie van enkele mogelijke bronnen van zwaartekrachtsgolven, waarbij hun golflengte en frequentie vermeld staan.

Je ziet dat botsende zwarte gaten (‘compact binaries’ in de illustratie) slechts één van de vele mogelijke bronnen zijn. De oerknal waarmee het heelal 13,8 miljard jaar geleden ontstond produceerde wellicht ook zwaartekrachtsgolven, de zogeheten primordiale zwaartekrachtsgolven. Op 17 maart 2014 dachten de natuurkundigen verbonden aan de BICEP2 detector op de Zuidpool dat ze die hadden ontdekt in de vorm van B-mode polarisatie in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, maar een klein jaar later bleek het gevonden signaal niet van de oerknal afkomstig te zijn, maar van stof in de Melkweg. Eén van de andere bronnen van zwaartekrachtsgolven zijn dubbelsterren met één of twee neutronensterren. Die laatste categorie is gebruikt om het bestaan van zwaartekrachtsgolven op indirecte manier aan te tonen, iets dat al in 1974 is gedaan door Hulse en Taylor en waarvoor ze in 1993 de Nobelprijs voor de natuurwetenschappen ontvingen.

Twee pulsars die om elkaar draaien veroorzaken ook zwaartekrachtsgolven

Indirecte meting van het bestaan van zwaartekrachtsgolven is gedaan, directe meting nog niet. Met het drama van BICEP2 bleef de directe waarneming van zwaartekrachtsgolven een wens, iets waar de natuurkundigen alleen nog maar van konden dromen. Hopelijk dat de advanced LIGO die droom nu eindelijk in vervulling kan laten gaan. Tenslotte als afsluiting nog een interessante video over zwaartekrachtsgolven.

Bron: diverse bronnen, waaronder Wikipedia.

  1. In de volgende run gaat advanced LIGO samenwerken met de Europese VIRGO detector (2 armen van 3 km lengte) in Italië. Dan wordt de gevoeligheid van de detector nóg gevoeliger dan ‘ie al is. []

Reacties

  1. Rinus Baggermans zegt

    Zwaartekrachtsgolven?

    Dat suggereert het bestaan van “iets” dat zwaartekrachtgolf genoemd wordt. De kans bestaat natuurlijk dat dat wel bestaat.
    Ik heb daar een andere gedachte over. Het bestaat niet. Als er een botsing plaatsvindt zoals bij die twee zwarte gaten vindt er een gebeurtenis plaats die er voorheen niet was: het samensmelten van twee hele grote massa’s. Dat wordt gecommuniceerd aan de omgeving (het complete heelal). De communicatie vindt plaats door het aanslaan van, geleidelijk, aan alle (ook nog onbekende) deeltjes in het heelal. Door dit communiceren doorheen het hele heelal ontstaat er een netwerk van interacties (ook in tegengestelde richting, dus weer terug naar het zwarte gat). De interacties naar buiten toe zijn sterkst. En die golf van (onderlinge) interacties verspreidt zich dan ook door het hele heelal als een rimpeling. En laat zich aanvoelen als zwaartekracht!
    En dat gebeurt ook hier ter plaatse zoals wij met de Aarde. Alle deeltjes communiceren onderling met elkaar: dat is zwaartekracht.

  2. â—¾tenslotte hebben ze een snelheid, waarmee ze zich voortplanten. Voor zwaartekrachtsgolven met kleine amplitudes is dat de lichtsnelheid, c.

    Hoe zit het dan met andere amplitudes dan de genoemde kleine amplitudes? En als de inflatietheorie klopt, dan zou sneller dan de lichtsnelheid ook nog kunnen?

    @ Rinus Baggermans
    Gravity Probe B heeft al frame-dragging en het geodetisch effect aangetoond welke ook al voorspeld waren volgens de relativiteitstheorie. Het ligt in de lijn der verwachtingen dat zwaartekrachtsgolven dan ook wel aangetoond zullen gaan worden. Nou ben ik geen expert, maar volgens mij zou het eerder opmerkelijk zijn als zwaartekrachtsgolven niet zouden bestaan. Misschien worden ze niet met LIGO aangetoond, maar opvolgende experimenten die in de ruimte plaats gaan vinden zouden ze dan toch wel moeten gaan vinden. En zoals in het artikel al staat is er al een indirect bewijs gevonden wat met de berekeningen van de theorie overeenkomt.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_Probe_B

  3. Licht kan zich niet verplaatsen in het vacuum !.
    Daarvoor is materie nodig.
    Space time is materie gewoon zoals alles.
    In onze melkweg is niet heel goed gekeken naar de verdeling van de materie.
    Volgens mij is er veel meer homogene verdeling dan we beseffen binnen onze galaxy.
    De twee zwarte gaten die melkaar opslokte geven de zwaarte kracht door via die verdeling.
    Als je het hele helaal wil begrijpen moet je ervanuit gaan dat op elk volume deel een deetje zich bevindt.
    Ik ben zelf een groot fan van “the primer fields”,dus gewoon de klasieke vorm en dat we met electrone zo’n beetje alles kunnen bereiken.
    Ik moet nog een opmerking plaatsen;
    Elke deeltje in de universe bevindt zich in een fase steeds platter te transformeren.
    Uiteindelijk spreek je gewoon over enkel maar de oppervlakte.(ook mag je het de membraam noemen)
    Dus als je zwarte kracht (in zijn golf vorm) wil begrijpen dan moet je vanuit puur de oppervlakte dat kunnen meten.
    Polarisatie is dan heel belangrijk geworden.
    Dus de voorstelling die vaker getoond werd ,zoals een gebogen matrix is geheel juist en je hoeft niet alles naar 3 d (volume) te berekenen.
    Als je wetenschap bedrijft dan moet je altijd verder kijken dan de wetenschap zelf.
    Meestal is op korte termijn wel heel veel te verklaren,maar daarmee is nog niet een mijlpaal gezet !
    E = mc2 >het enigste wat je hier voor moet weten is die laatste kwadraat >betekend gewoon dat alles plat zal worden en op een plat vlak zal uiteindelijk geen licht zich meer kunnen verplaatsen,maar wel de zwarte golven in 2 D.
    Hopelijk denken ze niet dat ik gek ben geworden ,maar onthoud deze tekst maar even.

    Mitch.

  4. Quote: “Licht kan zich niet verplaatsen in het vacuum !. Daarvoor is materie nodig.” Mitch, wie heeft jou dat geleerd?

  5. Ik ken de oude theorie deels.
    Om te begrijpen wat timespace daadwerkelijk is zou je misschien toch van materie uit kunnen gaan.
    Die materie is niet geheel ontdekt.
    Huidige stand van zaken is dat ze het nog steeds hebben over darkmatter,maar ook dat is helaas gebaseerd op foutieve berekening.
    Ze hebben dat ontbrekende deel wel nu nauwkeuriger bepaald door ook tevens meer precies waar te nemen.
    Dus wat ik begreep is dat er nu materie en dark energie nog overblijft.

    Wat ik zo jammer vind is dat dat verhaal van licht kan zich verplaatsen door vacuum helaas niet voor 100 % klopt.
    Het is pure theorie he,maar waarom tonen ze dan niet eens een 100 % vacuum aan om maar eerst eens dat verhaal juist te maken.
    Over 500 jaar zullen ze wel gaan denken ,welke oermensen die dat ooit verzonnen hebben XD.
    Nee je moet al uitgaan van multiple universes en om de boel de begrijpen zou je vooral wiskundig gezien altijd al buiten je rekenmodel je moeten opstellen. (zelf geloof ik in twee en niet meer dan dat)
    Ik zou graag adviseren een keer op youtube te zoeken op “The primere fields” part 1,2,3, en die boel klinkt als muziek in de oren.

    Voor de meeste mensen meer toegankelijk en ook dus voor mij.
    Tot op heden heb ik altijd wel juist gegokt 😉
    maar al zou ik een keer vallen ach ja.

Laat wat van je horen

*

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

%d bloggers liken dit: