Zwaartekrachtsgolven bestaan! Voor het eerst zijn de rimpelingen in de ruimtetijd gemeten door twee LIGO-observatoria. Wetenschappers beschouwen de ontdekking van zwaartekrachtsgolf GW150914 nu al als één van de hoogtepunten van dit jaar.

Om half vijf werd er een persconferentie gegeven in Washington DC om de ontdekking aan te kondigen. “Dames en heren, we hebben zwaartekrachtsgolven ontdekt”, riep directeur David Reitze van LIGO door de speaker. “We hebben het voor elkaar gekregen!” Dit kwam voor toeschouwers natuurlijk niet als een totale verrassing, want de geruchtenmachine draait al zeker een week op volle toeren.

De zwaartekrachtsgolven zijn afkomstig van een paar zwarte gaten. Op een afstand van ruim 1,3 miljard lichtjaar van de aarde zijn twee zwarte gaten steeds dichter om elkaar gaan draaien, wat uiteindelijk resulteerde in een samensmelting. De twee zwarte gaten waren respectievelijk 29 en 36 keer zo zwaar als de zon en draaiden net voor de samensmelting 75 keer per seconde (!) om elkaar heen. Nu is er een zwart gat ontstaan met een massa van 62 zonnen. Het totale proces duurde slechts 0,2 seconden. Wetenschappers hebben de zwaartekrachtsgolven die tijdens de samensmelting ontstonden – met de naam GW150914 – opgevangen.

“De totale output van zwaartekrachtsgolven tijdens de samensmelting was vijftig keer meer dan alle energie die alle sterren in het universum samen afgeven”, zegt wetenschapper Kip Thorne van Caltech. Hij is één van de oprichters van de LIGO-observatoria. “Dit is natuurlijk onvoorstelbaar.”

Eerdere claims

In 2014 kondigden onderzoekers aan dat ze mogelijk sporen van zwaartekrachtsgolven hadden gedetecteerd. Het was wereldnieuws, maar later onderzoek toonde aan dat het door de onderzoekers aangevoerde bewijs helemaal niet zo overtuigend was. Het signaal dat de onderzoekers aanzagen voor zwaartekrachtsgolven kon ook wel eens door iets anders veroorzaakt zijn.

Maar even terug, wat zijn zwaartekrachtsgolven?
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpels in de ruimtetijd. Albert Einstein stelde ruim honderd jaar geleden dat onmogelijk is om te spreken over tijd en ruimte als afzonderlijke entiteiten. De vier dimensies van de ruimtetijd zijn lengte, breedte, hoogte en natuurlijk duur. Zo weten we dat licht in één seconde een afstand van 299.792.458 meter aflegt.

Je moet je de ruimtetijd voorstellen als een vel papier. Planeten en sterren liggen als knikkers op dit vel, waardoor de ruimtetijd lokaal gekromd is. Daarnaast reizen er golven door de ruimtetijd. Dit zijn zwaartekrachtsgolven, die ontstaan bij hele bijzondere gebeurtenissen, bijvoorbeeld wanneer twee zwarte gaten fuseren of wanneer een gigantische ster ontploft. Je kunt het vergelijken met wanneer je een steentje in een plas water gooit. Er ontstaan direct kringen rondom het steentje.

Waarom zijn zwaartekrachtsgolven nu pas ontdekt?
Je vraagt je wellicht af waarom zwaartekrachtsgolven niet eerder zijn ontdekt. Op het strand zijn golven in de zee makkelijk te spotten. Waarom niet in de ruimte? Dit komt omdat de hele aarde op een golf meebeweegt. Stel, je rijdt met een snelheid van 120 kilometer per uur op de linkerrijstrook en de automobilist naast je rijdt ook exact 120 kilometer per uur, dan lijkt het alsof zijn auto niet beweegt, maar dat is visueel bedrog. Dit geldt ook voor zwaartekrachtsgolven. De enige manier om ze te vinden is door op meerdere plekken metingen te verrichten en deze metingen vervolgens naast elkaar te leggen. Een goed voorbeeld is het LIGO-experiment in de Verenigde Staten. In twee vacuümbuizen van vier kilometer lang wordt de lengte van een bundel infraroodlicht gemeten. Met deze apparatuur is het mogelijk om piepkleine variaties te meten in de lengte van de bundel, zelfs als die variaties kleiner zijn dan eenduizendste van de diameter van een atoom!

“Dit is het begin van een nieuw tijdperk voor de sterrenkunde”

Mysteries ontrafeld
Wetenschappers kunnen zwaartekrachtsgolven gebruiken om meer te leren over het heelal. Een zwart gat zendt geen lichtdeeltjes uit, waardoor wij nooit weten wat er exact gebeurt in een zwart gat. Zwaartekrachtsgolven kunnen door geen enkele vorm van materie worden tegengehouden, waardoor we naar deze rimpels kunnen luisteren om meer te weten te komen over zwarte gaten.

Maar er is meer. Dankzij zwaartekrachtsgolven kunnen wij ook achterhalen wat er kort na het ontstaan van het heelal allemaal gebeurde. Aangezien de oerknal bijna veertien miljard jaar geleden plaatsvond, zijn de zwaartekrachtsgolven heel erg zwak in het huidige heelal. Het is dus onwaarschijnlijk dat deze golven snel worden opgepikt.

Stel, twee zwarte gaten of neutronensterren draaien om elkaar heen en smelten uiteindelijk samen, dan zouden de zwaartekrachtsgolven er ongeveer zo uit moeten zien:

botsing
zwaartekrachtsgolven

Hieronder zie je de gemeten zwaartekrachtsgolven door de twee LIGO-observatoria kort voor, tijdens en na de samensmelting:

zwaartekrachtsgolf

Fantastische (inter)nationale prestatie
Wetenschappers in binnen- en buitenland zijn betrokken bij deze fantastische ontdekking. Zo hebben sterrenkundigen van de Radboud Universiteit en natuurkundigen van Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam belangrijke bijdragen geleverd aan het valideren en analyseren van zwaartekrachtsgolven.

“Wat we hebben gemeten is fantastisch”, zegt zwaartekrachtsgolvenspecialist Jo van den Brand. Hij is hoogleraar subatomaire fysica aan de Vrije Universiteit Amsterdam. “Het opgevangen signaal is zó helder dat het met het blote oog in de ruwe data is te zien. Een verrassend aspect van deze ontdekking is dat de zwarte gaten die zijn samengesmolten veel zwaarder zijn dan de zwarte gaten die we kennen in dubbelsterren in onze Melkweg.”

“Het signaal komt precies overeen met wat je zou verwachten volgens Einsteins theorie”, zegt Chris van den Broeck. Hij is wetenschapper bij Nikhef en werkte samen met collega’s maandenlang aan de analyse. “Nu kunnen we de theorie in de meest extreme situaties testen.”

“We kunnen nu beginnen met het onderzoeken van de ‘verdraaide’ kant van het universum”, zegt Thorne. “Denk aan objecten en fenomenen die zijn gemaakt door een verstoring in de ruimtetijd. Samensmeltende zwarte gaten en zwaartekrachtsgolven vormen nu het begin.”

“Dit is het begin van een nieuw tijdperk voor de sterrenkunde”, beweert sterrenkundige Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit. “We krijgen een compleet nieuwe manier om naar het heelal te kijken en de meest extreme objecten te bestuderen. Met de nieuwe instrumenten kunnen we het einde van de complexe evolutie van zware dubbelsterren voor het eerst goed vastpinnen.”