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.

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 ?.
• 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 LIGO ^[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. 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.

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.

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.