V - Zwaartekrachtsgolven - SRON Netherlands Institute for Space Research

Zwaartekrachtsgolven: Kunnen we ze meten en onthullen ze ons de aard van de zwaartekracht?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Zwaartekracht. Het lijkt zo gewoon. Materie trekt materie aan. En dat volgens simpele wetmatigheden die voor het eerst door Sir Isaac Newton in wiskundige formules zijn uitgedrukt. Maar waarom materie leidt tot zwaartekracht, is onbekend. Zwaartekracht is een van de fundamentele krachten in de natuur, naast de elektromagnetische kracht, de zwakke wisselwerking en de sterke wisselwerking. En misschien de donkere energie. Het is gelukt de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke wisselwerking met elkaar te verenigen in een standaardmodel. De krachten kunnen worden geassocieerd met de uitwisseling van elementaire deeltjes. Die zijn praktisch allemaal gevonden in deeltjesversnellers. Maar een koppeling met de zwaartekracht is nog niet gelukt.

Geeft de zwaartekrachtstheorie van Einstein dan geen antwoord? Nee, maar die zet ons vermoedelijk wel op het juiste spoor. Rond het begin van de vorige eeuw is een aantal fenomenen bekend die in strijd waren met de zwaartekrachtstheorie van Newton. De baan van de planeet Mercurius bijvoorbeeld, kan niet helemaal worden verklaard. Albert Einstein laat zien dat zwaartekracht kan worden gezien als een vervorming van de ruimte, veroorzaakt door materie. Vertaald naar het platte vlak kun je dit opvatten als een uitrekking naar beneden van een elastisch oppervlak, op plaatsen waar zich materie bevindt. Hoe meer materie, hoe dieper die ‘put’ en hoe sterker de zwaartekracht.

Uit Einstein’s algemene relativiteitstheorie volgt een reeks van consequenties. Die verklaren exact wat er met de baan van de planeet Mercurius gebeurt, maar ook waarom de posities van sterren vlak naast de zon gezien (zonsverduistering) systematisch afwijken van waar ze zouden moeten staan. De theorie laat ook zien dat verstoringen in de zwaartekracht zich niet voorplanten met oneindige snelheid, zoals Newton dacht, maar met de lichtsnelheid. Inmiddels is dat experimenteel bevestigd. Overigens doorstaat Einteins theorie tot nu toe iedere test, zelfs in heel extreme omstandigheden zoals in de buurt van zwarte gaten. De theorie voorspelt ook het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Maar die zijn nog niet direct aangetoond.

Brengt de meting van zwaartekrachtsgolven ons nu dichter bij het begrijpen van de aard van de zwaartekracht? Ja en nee. We zouden er een prachtige bevestiging in zien van de theorie van Einstein, en erachter komen hoe energie wordt omgezet in verstoringen van het zwaartekrachtsveld. Maar we weten dan nog steeds niet hoe we de zwaartekracht moeten koppelen aan de andere fundamentele krachten in de natuur.

Wat weten we wel?

Zwaartekrachtsgolven worden onder andere opgewekt als twee zeer zware voorwerpen op korte afstand om elkaar heen draaien. Dat kunnen zware dubbelsterren zijn of dubbele witte dwergen, neutronensterren of zwarte gaten. Doordat zulke systemen energie verliezen in de vorm van zwaartekrachtsgolven, gaan ze steeds nauwer om elkaar heen draaien. Uiteindelijk zullen ze met elkaar versmelten. In het geval van witte dwergen en neutronensterren kan dat ineens de vorming van een zwart gat opleveren. Misschien markeren sommige gammaflitsen wel het moment dat dit soort versmeltingen plaatsvindt.

Als we de samenhang kunnen leggen tussen het energieverlies in zware dubbelsystemen zoals dubbele zwarte gaten dan kennen we veel meer dan nu het karakter van de zwaartekracht. Met zwaartekrachtsgolven zouden we op zoek kunnen gaan naar zware dubbelsystemen. Misschien vinden we dan aanwijzingen voor het grootschalig samensmelten van kleine zwarte gaten tot grote zwarte gaten, in de vroegste geschiedenis van het heelal. Daarmee vinden we mogelijk ook de sleutel voor het oplossen van het probleem rond de vorming van superzware zwarte gaten in kernen van sterrenstelsels.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Een passerende zwaartekrachtsgolf is te meten aan de hand van de afstand tussen twee voorwerpen. Als je alle verdere verstorende invloeden weet uit te sluiten, zal die afstand ritmisch schommelen. Een ring van deeltjes beweegt dan bijvoorbeeld van een horizontale ellips naar een cirkel en verder naar een verticale ellips, en weer terug. De amplitude van dit effect is miniem, in de orde van tien tot de macht min twintig. Dat komt overeen met de afmeting van een waterstofatoom op een meetlat van 10 miljoen kilometer. Er zijn verschillende strategieën om te proberen deze effecten te meten. De meeste zijn gebaseerd op het principe van interferometrie. Maar tot nu toe zijn zwaartekrachtsgolven nog niet echt gemeten.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: hoe meten we zwaartekrachtsgolven?{end-link}In twee haaks op elkaar staande buizen wordt laserlicht gereflecteerd, en dan vanuit beide buizen samengebracht. De lasergolven uit de buizen kunnen elkaar versterken en verzwakken waardoor een interferentie- of buigingspatroon ontstaat. Minieme verstoringen in de lengte van de buizen, verraden zich in een meetbare zweving van het patroon. Hoe gevoelig zo’n interferometer is, hangt af van de gebruikte golflengte van het laserlicht en natuurlijk van de lengte van de buizen. Er bestaan verschillende aardse laboratoria waarin wordt geprobeerd het effect aan te tonen, zoals LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in de Verenigde Staten. De buizen zijn daar enkele kilometers lang. Maar het blijkt niet eenvoudig om het effect aan te tonen en alle verstorende effecten uit te sluiten. Mogelijk zijn de instrumenten niet gevoelig genoeg, of passen ze niet goed op de golflengte van de zwaartekrachtsgolven. Een andere manier om de zwaartekrachtsgolven aan te tonen in aardse laboratoria is via een antenne. Aan de universiteit van Leiden wordt gewerkt met het project miniGRAIL. Het bestaat uit een zeer precies gemaakte bol van 1150 kilogram, gekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt. Zwaartekrachtsgolven zullen de bol licht vervormen en dat effect probeert men te meten.{end-tooltip}

Ruimtemissies bieden misschien meer perspectief. Het meest concreet is het project LISA, een ESA-missie. Het basisplan voorziet in drie ‘buizen’ van 5 miljoen kilometer lang, waarbij op elke hoekpunt een satelliet zweeft. De enorme lengte van de buizen geeft natuurlijk een veel hogere gevoeligheid om lenteveranderingen te meten dan aardse experimenten. Maar het ‘op positie’ houden van de vrij vliegende satellieten een enorme uitdaging. Elke satelliet heeft twee telescoopsystemen met een opening van 40 centimeter, die onder een hoek van 60 graden staan. De telescopen kijken steeds naar de beide andere satellieten. Met de laserstralen worden de afstanden gemeten tussen vrij zwevende 40 mm gouden spiegels in elk van de satellieten. Het systeem kan veranderingen zien in de buislegte ter grootte van een waterstofatoom. Overigens behoeven de satellieten gelukkig niet met diezelfde nauwkeurigheid te worden ‘gefixeerd’. De buizen kunnen als gevolg van satellietbewegingen wat uitrekken en krimpen; met de verwerking van meetgegevens wordt daarmee rekening gehouden.

Nederland is betrokken bij de voorbereidingen van de LISA-missie. SRON werkt aan modellen en software om de meetspiegels in elk van de satellieten in de gaten te kunnen houden. Daarnaast levert SRON testapparatuur. Er is een testmissie bedacht om de technologie in de ruimte te beproeven. Als alles goed gaat wordt die missie in 2014 gelanceerd.