Site pictogram Astroblogs

LIGO heeft zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten ontdekt

Impressie van de twee zwarte gaten die samensmelten en daarmee zwaartekrachtsgolven veroorzaken. Credit: : SXS/CC BY-NC 3.0

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.

Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

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. Credit: NASA

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 ?.
  • ten slotte hebben ze een snelheid, waarmee ze zich voortplanten. Voor zwaartekrachtsgolven met kleine amplitudes is dat de lichtsnelheid, c.

Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

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:

'We have detected gravitational waves!', breakthrough discovery confirmed (FULL PRESSER)

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

Brian Greene Explains The Discovery Of Gravitational Waves

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten