14 december 2019

LIGO heeft zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten ontdekt

Impressie van de twee zwarte gaten die samensmelten en daarmee zwaartekrachtsgolven veroorzaken.

De kogel is door de kerk! Nadat Einstein het bestaan ervan meer dan een eeuw geleden voorspeld heeft, is het einde van een tientallen jaren durende zoektocht eindelijk bereikt. Met behulp van het LIGO-observatorium (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) hebben astronomen werkelijk zwaartekrachtgolven waargenomen, rimpels in het weefsel van ruimte en tijd. De ontdekking is bekend gemaakt op de langverwachte persconferentie van 11 februari 2016. Hier is al wekenlang reikhalzend naar uitgekeken, aangezien het al sinds half januari gonst van de geruchten. De zwaartekrachtgolven zijn door beide detectors van LIGO waargenomen op 14 september 2015 en zijn veroorzaakt door het samensmelten van twee zwarte gaten van middelzware massa (enkele tientallen zonsmassa’s per stuk), hetgeen 1,3 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden.

Volgens de LIGO-natuurkundigen hebben de twee detectoren, één in Livingston, Louisiana en de ander in Hanford, Washington (beiden in de VS) een gebeurtenis gezien, waarbij lasers in de twee haaks op elkaar geplaatste vier kilometer lange vacuümbuizen met spiegels aan de uiteinden minieme lengteverschillen maten, verschillen die ontstonden door passerende zwaartekrachtsgolven. Met de apparatuur van Advanced LIGO kan men variaties met duizendsten van de diameter van een atoom nog detecteren. Zo’n zwaartekrachtsgolf – ook wel gravitatiegolf genoemd – zorgt er voor dat de ruimte eventjes krimpt en uitdijt, zoals in deze afbeelding te zien:

De gebeurtenis kwam van bronnen gelegen in de sterrenbeelden Dorado (Goudvis), Aries (Ram) en Hydra (Waterslang). Men heeft kunnen vaststellen dat de bron een botsing is geweest van twee zeer zware zwarte gaten, de ene 36 zonsmassa’s en de ander 29 zonsmassa’s zwaar. Bij de botsing en daaropvolgende samensmelting zou in enkele minuten maar liefst drie zonsmassa aan zwaartekrachtsgolven zijn weggestraald, golven met een frequentie van 300 hertz.Het bestaan van de door Einstein in 1916 voorspelde zwaartekrachtsgolven is reeds in 1974 op indirecte wijze bevestigd door Joseph Taylor en Alan Hulse, die daarvoor in 1993 de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen ontvingen. Met de directe ontdekking van zwaartekrachtsgolven door LIGO zou Albert Einstein deze Nobelprijs verdienen, ware het niet dat het Nobelcomité de regel heeft dat de ontvanger in leven moet zijn. Maar niet getreurd, er staat iemand paraat die de Nobelprijs wel in ontvangst kan nemen, Albert Einstein’s bijna-naamgenoot Alan Weinstein, hoofd van het wetenschappelijk team van LIGO. Of hij ‘m dit jaar al krijgt valt te bezien, want een andere ‘harde’ regel van het comité is dat 1 februari j.l. de deadline is voor het aanleveren van kandidaten voor de Nobelprijs.

Voorstelling van zwaartekrachtsgolven die ontstaan als twee zwarte gaten botsen en samensmelten.

Wat zijn zwaartekrachtgolven eigenlijk?

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 quadrupoolmoment 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 grootte 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 hertz.
  • ze hebben een golflengte, de lengte tussen de punten van gelijke hoogte (pieken of dalen), aangeduid met λ.
  • ten slotte 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 LIGO gemeten hebben (de verbeterde versie van de oorspronkelijke LIGO detector). 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. Beide 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. Dat is nu dus werkelijk waargenomen!

Het volledige onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters en kan hier ingezien worden.Hieronder de volledige persconferentie van vanmiddag, waarin het nieuws wereldkundig werd gemaakt:

Ook Brian Green, de bekende snarentheorist en natuurkunde-popularisator, is enthousiast:

Comments

  1. De hele persconferentie van vandaag:
    https://www.youtube.com/watch?v=_582rU6neLc

  2. https://www.youtube.com/watch?v=s06_jRK939I

    A landmark day for Einstein and our understanding of the universe: the detection of gravitational waves. Brian Greene explains the discovery. 3:10 minuut clip

  3. En het historische artikel om te downloaden in PDF:
    http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102

    • Ik zal vanavond wel een update geven van de enerverende en ook wel historische middag. Ik was met Paul in Amsterdam bij het NIKHEF. Zit nu in de trein terug naar huis. 😀

  4. Enceladus Enceladus zegt

    Even een praktische vraag: bij golven in een vijver zie je dat de golven op grote afstand uitdoven. En heb je een hele grote vijver of een meertje, dan zie je dat er op wat grotere afstand geen golven te zien zijn.
    Geldt dit ook voor zwaartekrachtsgolven? Kun je zeggen dat die over afstanden van vele honderden miljoenen lichtjaren waarschijnlijk uitdoven?

    groet,
    Gert (Enceladus)

  5. Of wat gebeurd er als een zwaartekrachtgolf de rand van het universum bereikt? Of wat gebeurd er met de energie van zwaartekrachtgolf als deze uitdooft?

    • “In other words, when averaged over a few wavelengths, the sum of the gravitational-wave
      energy-momentum and the nongravitational energy-momentum is conserved. For example,
      when a gravitational-wave detector is driven into motion by a passing wave, the detector’s
      energy (embodied in Bαβ) goes up, and the wave’s energy (embodied in TGWαβ) goes down”

      Kip Thorne paper; http://elmer.tapir.caltech.edu/ph237/week6/KipNewWindow5.pdf

      • Ik zal het van het weekend eens doorlezen, maar bij al die formules moet ik toch echt afhaken. Maar ik geef het een kans en hoop de tekst dan te snappen. 🙂

        • Negen van de tien keer negeer ik die formules ook. De maker van zo’n paper heeft het nodig om zijn argumenten kracht bij te zetten. En zijn peer’s kunnen de paper checken voor publicatie. In veel gevallen heb je genoeg aan het abstract en de conclusie 🙂

  6. Ik kom wel langzaam tot de conclusie dat deze observatie helemaal niets met die super gammaburst van een jaar eerder te maken heeft. Ik vroeg mij al af waarom samensmeltende zwarte gaten gammastraling zouden moeten uitstralen.
    1- “GRB 140606B was detected at 03:11:51.86 UT on 06-June-2014 by the
    Fermi Gamma-Ray Burst Monitor (GBM), where a single, sharp pulse with a noisy tail was detected (Burns
    2014)”
    2- “On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave
    Observatory simultaneously observed a transient gravitational-wave signal.”

  7. En hier nog een complete Nature Special geweid aan dit fenomeen, hot van de pers.
    http://www.nature.com/news/gravitational-waves-1.19321?WT.ec_id=NEWS-20160211&spMailingID=50676042&spUserID=MTc2NjYxNTU5MwS2&spJobID=861366180&spReportId=ODYxMzY2MTgwS0
    Ik hoop dat deze vreemde link werkt….

    • Hij werkt! 🙂 Maar als je de link bekijkt zie je er een vraagteken in staan …19321?WT… Soms kan je wat achter de vraagteken staat weglaten, want dat zijn dan zeg maar extra parameter die soms niet nodig zijn om de link te laten werken, maar die geven dan extra informatie mee terug aan de webserver. Zo zie je in je link mailingid en userid staan, die geven waarschijnlijk aan de webserver mee terug uit welke mailinglijst(type nieuwsbrief oid) de link geklikt is en welke gebruiker het was, dit voor de statestieken en andere doeleinden. Iedereen die jou link klikt zorgt ervoor dat jouw statestieken bijgewerkt worden.
      Ook zie je in de link het & teken meerdere keren voor komen, hiermee knoop je meerdere parameter achter elkaar.
      Zo werkt de link dus ook: http://www.nature.com/news/gravitational-waves-1.19321

      Bij een site als youtube werkt het weer net wat anders, want daar wordt het vraagteken juist gebruikt om het video ID mee te geven en zonder dit ID weet de site niet welke video je wilt bekijken, youtube.com/watch?v=MT9pH9C7Oew (de v= betekent video=+een id).
      In een youtube link kan ook weer het & teken voorkomen om zo nog meer parameters mee te geven, bijvoorbeeld op welke tijd de video moet starten youtube.com/watch?v=MT9pH9C7Oew&t=1s waar &t=1s aangeeft dat de video op 1 seconde moet beginnen.

      Tot zover de uitleg over linkjes 🙂 .

  8. heldere uitleg over zwaartekrachtsgolven; bedankt

  9. Op het npo nieuws hadden ze het over een “uitvinding” van Einstein.

  10. Zwaartekrachtgolven (GW’s) zijn alom aanwezig, het probleem was ze te “meten/registreren”.
    Als je je koffiemok op tafel verplaatst ontstaan er ook een verstoring van de ruimte/tijd en dus GW’s, alleen zijn die zo klein dat ze nu nog niet gemeten kunnen worden, zie ook relativische impuls.
    Je stopt er energie in om hem op een bepaalde snelheid te krijgen en ook weer om het zaakje tot stilstand te brengen,
    waar blijft die energie? Het kopje en de omringende lucht worden iets warmer door de onderlinge wrijving, blijft er ook nog wat van de toegevoegde energie over? Wordt die rest energie omgezet in gW’s?
    (denk ik dan)

  11. Robert Heijd zegt

    Allereerst ben ik bepaald geen expert op het gebied van kwantum mechanica e.d., maar als ik de data bekijk die is geregistreerd vind ik de conclusie toch wel moeilijk te verteren. Ja de beide LIGO’s hebben een zelfde soort uitslag laten zien op hetzelfde moment, maar perfect overeen komen doen ze niet. En de determinatie van de 2 zwarte gaten die de bron moeten zijn, hebben een gigantische marge wat betreft locatie. Is er iemand anders die dit bewijs ook wat dunnetjes vindt?

  12. Robert, bedankt voor je bericht. De zogeheten ‘signal-to-noise ratio’ van het signaal van de twee detectoren was 24 en dat is een zeer goed betrouwbaarheid van de overeenkomst. De kans dat zo’n match zich voordoet is ééns per 203.000 jaar, dus voor mij goed genoeg om als betrouwbaar te zijn. Ja, het gebied waar GW150914 vandaan komt is veel te groot om een bepaald sterrenstelsel als bron aan te wijzen, maar dat heeft puur te maken met het feit dat er slechts twee detectoren zijn en hun oplossend vermogen niet groot is. Dat maakt het bewijs niet minder hoor. De statistische betrouwbaarheid van deze waarneming is 5,1 sigma, boven de grens van 5 sigma, die wetenschappers beschouwen als de grens om van een ontdekking te kunnen spreken.

    • Robert Heijd zegt

      Hey Arie, leuk dat je reageert. Mbt het argument ‘Signal-to-noise ratio’, lijkt mij ook inderdaad onweerlegbaar, maar wat als het opgevangen signaal geen ‘random noise’ was? Misschien een aardschok, of iets wat we totaal niet begrijpen? Bijv donkere materie is immers slechts een aanduiding van iets wat we gewoon niet weten mbt zwaartekracht berekeningen. De sigma score van 5,1 is dan in relatie tot ‘noise’, echter is dat toch niet voldoende om de kwalificatie van gravitatiegolf te garanderen? Ongetwijfeld mis ik een stukje van de puzzel, omdat zoveel knappe koppen dit nieuws naar buiten hebben gebracht.

  13. Ik sluit me aan bij voorgaande kritische commentaren. Bij een aardbeving verandert het verschil tussen de twee armen van het LIGO-instrumentarium! Dit gaat buiten het getal van 25 signaal-ruis verhouding om. Voor twee verschillende LIGO-registraties, die zich op twee verschillende locaties op aarde bevinden, ontstaan er vervolgens verschillen in de registratie. En dat is ook praktisch gebleken. Bedenk wel: Iedereen is zo gefixeerd op die conservatieve natuurkunde en kosmologie, dat interpretatiefouten uit een soort ‘geloofsovertuiging’ al snel gemaakt worden. Na een eeuw van ‘geloof in zwaartekrachtgolven’ is er drastisch meer bekend geworden over de spookachtige werking van deeltjes-verstrengeling in de kwantummechanica.

    Einstein wist dat al (Nobelprijs ontdekking foto-elektrisch-effect in 1921) en nam afstand van spookachtige actie op afstand. Toch is niet uitgesloten dat ‘verstrengelingsdynamiek’ bij LIGO ook een rol heeft gespeeld, want de gemeten amplitudes zijn op schaal kleiner dan een tienduizendste van een atoomdoorsnede aan de orde van de dag. Einstein heeft dan ook in 1931 zelf al verklaard dat hij wellicht een tweede blunder had gemaakt met de voorspelling van zwaartekrachtgolven. Toen was hij zijn eerste blunder nog maar nauwelijks te boven. Dat was het gebruik van de kosmologische constante in zijn veldvergelijkingen, de zelfde vergelijkingen waarmee hij zwaartekrachtgolven had voorspeld.

    Verder is er gigantisch veel theoretisch onderzoek aan ‘donkere materie’ bijgekomen in de afgelopen eeuw. Ook daarbij is het mogelijk dat donkere materie zowel uitdijende als inkrimpende eigenschappen heeft. Dat zou dus wel degelijk vergelijkbaar effecten hebben kunnen genereren in de twee LIGO-waarnemingen. Het zou mij daarom niet verbazen dat binnen afzienbare tijd een formele tegenwerping komt tegen de ontdekking van zwaartekrachtgolven, net zoals dat toen het geval was bij de ontdekking van kosmische inflatie; daarbij bleek verondersteld gepolariseerd oer-licht van de oerknal gewoon door stofwolken uit ons eigen sterrenstelsel veroorzaakt te worden.

  14. Olaf van Kooten Olaf van Kooten zegt

    Haha, flat earth mafkezen zien er een complot in 😛

    http://on.io9.com/QrHfHQV

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: