Zwaartekrachtgolven eindelijk gespot: ‘We got em’

De Amerikanen pakten er donderdag zwaar mee uit: na een zoektocht van ruim een kwarteeuw hebben fysici eindelijk een zwaartekrachtgolf gezien. Een mijlpaal in de geschiedenis van de natuurkunde, een zoveelste bevestiging van Einsteins relativiteitstheorie, maar vooral: een nieuw venster op ons universum.

David Reitze, de directeur van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo), wond er gisteren op de persconferentie in Washington D.C. geen doekjes om: ‘We got them. Eindelijk hebben we ze kunnen detecteren, die zwaartekrachtgolven.’ Reitze werd meteen getrakteerd op applaus van de massaal opgedaagde pers. Die kon natuurlijk al wel vermoeden dat Reitze niets minder dan deze pioniersontdekking zou aankondigen – het gonsde al de hele week van de geruchten.

Het échte nieuws kwam dus vlak na het Saddam/Osama-moment van de Amerikaanse fysici: de gespotte zwaartekrachtgolf bleek afkomstig van de botsing en samensmelting van twee zwarte gaten, 1,3 miljard lichtjaar van ons verwijderd. Dat kosmische huwelijk veroorzaakte zulke grote trillingen in het omgevende zwaartekrachtveld – de tijdruimte, zoals Einstein zou zeggen – dat het hoogtepunt ervan nog nét sterk genoeg was om op Aarde te worden gedetecteerd.

Het artikel van Albert Einstein uit 1916 waarin hij het bestaan opperde van zwaartekrachtgolven.

Hoewel ze pas nu wereldkundig is gemaakt (het artikel Het artikel is donderdag gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters), vond de ontdekking al een half jaar geleden plaats, op 14 september, om 22u51 Belgische en Nederlandse tijd om precies te zijn. Plaats van gebeuren waren Hanford, in de Amerikaanse staat Washington, en Livingston, in Louisiana. ‘De zwaartekrachtgolf werd simultaan in beide detectoren waargenomen’, vertelde Gabriela González, woordvoerder van Ligo, gisteren in Washington. ‘Dat is belangrijk, want de grote afstand tussen beide detectoren sluit uit dat het om een lokale verstoring ging.’

De beide Ligo-detectoren zijn zo ontworpen dat de minste trilling van de tijdruimte – het uitrekken op krimpen ervan – wordt opgepikt. Het internationale team fysici en ingenieurs achter Ligo (er werken daar niet alleen Amerikanen) is immers jarenlang bezig geweest andere trillingen dan zwaartekrachtgolven uit te sluiten. González: ‘Op 14 september konden we daardoor een uitrekking van de ruimte meten van één duizendste van de diameter van een proton.’

De twee zwarte gaten draaien eerst om elkaar heen om vervolgens samen te smelten tot één gigantisch zwart gat.

Het volledige door Ligo opgetekende signaal van de zwaartekrachtgolf – een lichtflits – heeft het team voor de aardigheid geconverteerd naar een (vertraagde) geluidsopname. ‘We kunnen nu horen hoe 1,3 miljard jaar geleden twee zwarte gaten met elkaar samensmolten’, vervolgt González. Maar hoe weten de fysici eigenlijk dat ze met twee zwarte gaten van doen hebben? Het is immers nog maar de eerste keer in de geschiedenis dat we een kosmische gebeurtenis van zulke proporties hebben kunnen zien – of beter: horen. ‘Het profiel van het signaal, dat 20 milliseconden duurt en een stijgend verloop kent, komt exact overeen met de oplossing van de veldvergelijkingen van Einstein voor twee samensmeltende zwarte gaten.’

Om precies te zijn: met een zwart gat van 29 zonmassa’s en één van 36 zonequivalenten. De diameter van beide zwarte gaten bedraagt iets van een 150 kilometer en het resulterende zwarte gat weegt 62 zonnen. Met andere woorden, tijdens dat kosmisch huwelijk zijn er drie zonmassa’s verloren gegaan. ‘Klopt’, zegt González. ‘Die materie en energie is omgezet in zwaartekrachtgolven.’ Dit alles zou zich hebben afgespeeld ergens in de Kleine Magelhaense wolk – een soort satellietstelsels van onze Melkweg – die deel uitmaakt van de zuidelijke hemisfeer.

Licht geraakt niet overal door en daardoor bleven stukken van het universum tot nu toe verborgen. Zwaartekrachtgolven kunnen ons wél toegang geven tot de donkere geheimen van het heelal. © NASA

De omzetting van het lichtsignaal naar een geluidsopname lijkt trouwens een bewuste zet van het Ligo-team. Zo willen ze immers het belang van de ontdekking benadrukken voor astronomie. Door met de beide Ligo-detectoren – en straks ook de verbeterde Virgo-detector in Italië, de nog te bouwen Kagra-detector in Japan en een gepland exemplaar in India – massaal naar zwaartekrachtgolven te speuren zullen fysici voor het eerst kunnen luisteren naar andere signalen dan licht. De sterrenkunde, die vierhonderd jaar geleden begon met Galilei, is altijd afhankelijk geweest van elektromagnetische signalen: licht, radiogolven, X-stralen, gammastraling, noem maar op. ‘Zwaartekrachtgolven openen een volledig nieuw venster op ons universum’, vertelt Kip Thorne, theoretisch fysicus aan het California Institute of Technology die mee aan de wieg stond van Ligo. (Leuk detail: een journalist polste gisteren op de persconferentie of Thorne de zwaartekrachtgolven niet zou willen gebruiken in een sequel van Interstellar – de Hollywoodfilm die hij mee produceerde en waarin een zwart gat figureert.)

Het (vertraagde) geluidssignaal van het kosmisch huwelijk.

‘Gewelddadige gebeurtenissen zoals het samensmelten van twee zwarte gaten waren tot nu toe enkel voorspeld, maar nooit waargenomen’, vertelt Gijs Nelemans, sterrenkundige aan de KU Leuven die samen met zijn team betrokken was bij de analyse van de waarneming van 14 september. ‘Dit is het begin van een nieuw tijdperk van de sterrenkunde. We krijgen een nieuwe manier om naar het heelal te kijken en de meest extreme objecten te bestuderen.’ Dat nieuwe venster is trouwens meer dan welkom, want omdat licht niet overal doorheen geraakt bleven (en blijven) stukken van ons universum verborgen. Bovendien is er nog zoiets als donkere materie, waaruit veruit het grootste deel van alle materie in ons universum lijkt te bestaan. ‘Zwaartekrachtgolven kunnen ons toegang geven tot die donkere plekken en geheimen van het heelal’, aldus Nelemans.

Zoeken naar zwaartekrachtgolven: op aarde…

Een detector om zwaartekrachtgolven te meten is typisch opgebouwd in de vorm van een gigantische L, met kilometerslange armen (bij de twee Ligo’s meten de armen vier kilometer, bij Virgo drie kilometer). In de L wordt een bundel laserlicht gestuurd, die mits wat lenzen en spiegels in het hoekpunt van de L wordt gesplitst. De ene helft van het licht gaat de ene arm in, de andere helft de andere.

De LIGO-detector in Hanford.

De LIGO-detector in Livingston.

De Virgo-detector in Pisa.

Omdat er aan beide uiteinden van de L ook spiegels staan, kaatst het laserlicht een groot aantal keren heen en weer. Na verloop van tijd worden beide bundels, in het hoekpunt, weer bij elkaar gevoegd. Normaal doven de bundels elkaar dan netjes uit (de L is zo ontworpen dat beide bundels in tegenfase met elkaar trillen wanneer ze elkaar weer ontmoeten). Dit heet destructieve interferentie. Bij het hoekpunt zal er dan ook geen licht uit het experiment komen. Deze proefopstelling is welbekend in de fysica en wordt ook wel een interferometer genoemd.

Als er echter uit het heelal een zwaartekrachtgolf arriveert (en het maakt heus niet uit of die van boven komt of langs onder, helemaal dwars door de aarde, zoals op 14 september het geval was) dan zal één van de beide L-armen heel even worden ‘uitgerekt (door de trilling in de ruimtetijd). De interferentie van de laserbundels raakt hierdoor verstoort en het licht uit beide armen dooft elkaar niet meer uit. Bij het hoekpunt ontstaat een lichtsignaal en net dat is de flits die vertelt dat de detector beet heeft.

…en in de ruimte

Terwijl op de zoektocht op aarde nog maar pas is aangevat, liggen er al plannen op tafel om in de ruimte naar zwaartekrachtgolven te speuren – met ambities die het aardse geëxperimenteer vele malen overstijgen. Met Lisa (de Laser Interferometer Space Antenna, foto hierboven) wil het Europese Ruimtevaartagentschap ESA een gigantische detector lanceren die zelfs zwakste zwaartekrachtgolven kan oppikken. De detector zou bestaan uit drie satellieten die elke, jawel, vijf miljoen kilometer uit elkaar liggen. Het grote voordeel van de ruimte is dat er geen storingen aanwezig zijn. De lancering van Lisa staat momenteel gepland in 2034.

Zijn de wetenschappers na de ontdekking nu klaar?

Uiteraard niet. Er liggen al plannen op tafel voor een vervolgexperiment in de ruimte – met ambities die het aardse geëxperimenteer vele malen overstijgen. Met LISA (Laser Interferometer Space Antenna) wil het Europese Ruimtevaartagentschap ESA een gigantische detector lanceren die de zwakste zwaartekrachtsgolven oppikt. De detector zou bestaan uit drie satellieten die, jawel, vijf miljoen kilometer uit elkaar liggen. Het grote voordeel van de ruimte is dat er geen storingen aanwezig zijn. De lancering van LISA staat momenteel gepland voor 2034.

Tegelijkertijd ligt er een ontwerpstudie op tafel voor een ondergronds observatorium dat de Einstein Telescope (zie foto hierboven) zou heten en speciaal naar zwaartekrachtsgolven zou zoeken. Doordat de gevoeligheid van die detector vele malen hoger ligt, zou de Einstein Telescope tienduizenden bronnen per jaar waarnemen. Seismisch onderzoek toont aan dat het zuiden van de Nederlandse provincie Limburg uitermate geschikt is voor die ondergrondse megafaciliteit.