Zwaartekrachtgolven – wat zijn dat nu precies?

Computersimulatie van twee fuserende zwarte gaten
Computersimulatie van twee fuserende zwarte gaten die zwaartekrachtgolven produceren. Werner Benger., CC BY-SA

Als je begrijpt hoe een trampoline werkt dan begrijp je ook wat zwaartekrachtgolven zijn.

Op Maandag 16 oktober 2017 kondigden wetenschappers van de LIGO en de VIRGO aan dat ze voor het eerst zwaartekrachtgolven hebben waargenomen die zijn geproduceerd door botsende neutronensterren. Maar wat zijn zwaartekrachtgolven nu precies?

Om het fenomeen goed te begrijpen gaan we een paar honderd jaar terug in de tijd. In 1687 publiceerde Isaac Newton zijn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Hij beschreef de zwaartekracht als een aantrekkingskracht tussen twee massa’s – zoals de Aarde en de Maan of twee erwten op een tafel. Echter hoe deze kracht werd overgebracht werd in die tijd veel minder goed begrepen. De wet van de zwaartekracht werd pas in 1798 getest door de Engelse wetenschapper Henry Cavendish doen hij de dichtheid van de Aarde bepaalde.

We snellen verder naar 1916 toen Albert Einstein de natuurkundigen een nieuwe manier van denken over ruimte, tijd en zwaartekracht presenteerde. Gebaseerd op werk dat in 1905 was gepubliceerd verbond de algemene relativiteitstheorie alles wat we algemeen beschouwden als aparte entiteiten – ruimte en tijd – in wat we nu noemen de ruimte-tijd.

De ruimte-tijd kan worden beschouwd als de structuur van het heelal. Dat betekent dat alles wat beweegt er doorheen beweegt. In dit model verstoort alles dat een massa heeft de structuur van de ruimte-tijd. Hoe groter de massa hoe groter de verstoring. En omdat elk bewegend object door de ruimte-tijd beweegt, zal het ook de verstoringen volgen die worden veroorzaakt door voorwerpen met grote massa.

Om dat de visualiseren nemen we twee kinderen, de één een beetje zwaarder dan de andere. Die twee kinderen spelen op een trampoline. Als we het oppervlak van de trampoline beschouwen als de structuur dan zal het zwaardere kind die structuur meer versturen dan het andere kind. Als een van de kinderen een bal naast de voeten van het andere kind legt dan zal de bal naar de voeten toe rollen oftewel de structuur volgen naar de voeten. Dit is te vergelijken met de Aarde die om de Zon draait. De grote massa van de Zon zal de ruimte er om heen vervormen waardoor onze kleine planeet een zo recht mogelijke baan zal volgen maar in een gekromde ruimte. Dit is waarom de Aarde om de Zon blijft draaien.

Als we deze eenvoudige analogie kunnen accepteren dan begrijpen we de basis van de zwaartekracht. De verplaatsing naar zwaartekrachtgolven is een kleine maar belangrijke stap. Laat één van de kinderen een zwaar object over het oppervlak van de trampoline trekken. Dit zal rimpelingen veroorzaken aan het oppervlak die we kunnen waarnemen. Een andere manier om het te visualiseren is door je voor te stellen dat je je hand door water beweegt. De rimpelingen of golven verspreiden zich vanuit hun oorsprong maar doven snel uit.

Een object dat door de structuur van de ruimte-tijd beweegt zal golven of rimpelingen veroorzaken in die structuur. Helaas verdwijnen die rimpelingen ook weer snel en alleen de meest gewelddadige gebeurtenissen in het heelal veroorzaken verstoringen die we vanaf de Aarde kunnen detecteren. Om het een beetje in perspectief te plaatsen: twee zwarte gaten die met elkaar botsen en die elk een massa hebben van 10 zonsmassa zullen een golf produceren met de grootte van 1% van de diameter van een atoom als die de Aarde bereikt. Op deze schaal is de verstoring in de orde van 0,0000000000001 meter van de verandering van de Aarde vergeleken tot de 1 meter verandering die veroorzaakt wordt door de uitstulping als gevolg van getijdenwerking.

Waar kunnen we zwaartekrachtgolven voor gebruiken?

De rimpelingen in de ruimte-tijd zijn heel erg klein en heel erg moeilijk te detecteren, waarom doen we dan zo veel moeite om ze te vinden en waarom zouden we ons druk maken om ze te kunnen zien? Twee belangrijke redenen:

  1. Ze werden 100 jaar geleden door Einstein voorspeld. Hun bestaan bevestigen door middel van waarnemingen ondersteunt zijn algemene relativiteitstheorie.
  2. De bevestiging van het bestaan van zwaartekrachtgolven opent nieuwe onderzoeksterreinen in de natuurkunde zoals zwaartekrachtgolf astronomie. Door zwaartekrachtgolven te bestuderen van de processen die ze hebben geproduceerd – fuserende zwarte gaten of neutronensterren – krijgen we meer inzicht in de gewelddadige gebeurtenissen die zich in het heelal afspelen.

Echter om met dergelijke astronomie het onderste uit de kan te halen kan je een dergelijke detector het beste in de ruimte plaatsen. De LIGO in de Verenigde Staten maakt gebruik van laser interferometrie om de gravitatiegolven te vangen. Deze techniek werkt door een laserstraal in tweeën te splitsen en die in twee haaks op elkaar staande richtingen te sturen door een lange vacuüm buis. Die twee gedeelde stralen worden door spiegels weerkaatst naar het punt waar ze zijn begonnen en waar de detector zich bevindt. Als de laserstralen worden verstoord door zwaartekrachtgolven dan is er een verschil tussen de oorspronkelijke straal en de weerkaatste samengestelde straal. Men ontwikkeld plannen om dergelijke interferometers in de ruimte te plaatsen en dan wil men lasers gebruiken die tot een miljoen kilometer kunnen afleggen en daardoor ook veel gevoeliger zijn.

Nu we weten dat zwaartekrachtgolven daadwerkelijk bestaan hoopt men dat ze ons kunnen helpen met het oplossen van enkele van de grootste mysteries in de wetenschap zoals waaruit bestaat het grootste deel van het heelal. Slechts 5% van het heelal is gewone materie met 27% donkere materie en de resterende 68% donkere energie. De laatste twee noemen we “donker” omdat we nog niet goed begrijpen wat het precies is. Zwaartekrachtgolven zijn mogelijk een middel om deze mysteries te doorgronden net zoals röntgen en MRI ons in staat stelden het menselijk lichaam beter te begrijpen.

Eerste publicatie: 18-10-2017

Origineel artikel: The Conversation.
Geschreven door Gren Ireson, Professor of Science Education, Research Coordinator within the School of Education, Nottingham Trent University.