Wereldnieuws was het vorige maand: er waren zwaartekrachtsgolven waargenomen! Maar wat zijn dat? Wat kunnen ze ons vertellen? En waarom was de zoektocht ernaar zo lastig?

Deze afbeelding laat heel mooi zien dat hemellichamen ruimtetijd vervormen. Afbeelding: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Deze afbeelding laat heel mooi zien dat hemellichamen ruimtetijd vervormen. Afbeelding: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Wat zijn zwaartekrachtsgolven? Stel je voor: je rijdt met je fiets met een constante snelheid in een rechte lijn over een eindeloze vlakte. Als je niet botst, blijf je zo eeuwig rechtdoor rijden. De aarde is ook zo op weg, steeds maar rechtdoor, zonder te stoppen, zonder te draaien. Toch weten we allemaal dat de aarde niet in een rechte baan, maar in een ellipsvormige baan rond de zon draait. Hoe weet de aarde nu wanneer zij een bochtje moet maken? Dat weet ze niet. Sterker nog, dat doet ze niet. Stel je voor: je rijdt met je fiets met een constante snelheid in een rechte lijn over een eindeloze vlakte. Enkele honderden meters links naast je wordt de vlakte naar beneden getrokken, zodat het vlak waar jij op rijdt schuin komt te liggen. Het punt dat naar beneden wordt getrokken, ligt dieper dan de rest, als de ovale piste bij baanwielrennen. Je blijft nog steeds rechtdoor rijden, maar door de schuine, ovale wand, maak je toch een baantje rond het middelpunt. Dit is de vervorming van ruimtetijd (de dimensies lengte, breedte, hoogte en tijd zijn onlosmakelijk aan elkaar verbonden), waar Einstein het over had. De zon maakt met de zwaartekracht die door haar enorme massa wordt veroorzaakt, een deuk in de ruimtetijd waardoor de aarde er om heen draait als een vlokje schuim om het afvoerputje in het bad. Elk voorwerp met massa maakt zo’n deuk in de ruimtetijd, zelfs één enkel waterstofdeeltje. Het behoeft echter vast geen uitleg dat de zon een grotere deuk veroorzaakt dan zo’n klein deeltje en dat hoe zwaarder het voorwerp, hoe groter de afstand waarover de deuk merkbaar is.

Albert Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtsgolven al.

Albert Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtsgolven al.

Het begint met iets geks
Einstein voorspelde dat wanneer er iets geks met de massa gebeurt, zoals bijvoorbeeld het ontploffen van een ster of het samensmelten van twee zwarte gaten, er door de plotselinge verandering golven ontstaan in de ruimtetijd. Deze golven zullen zich dan verspreiden door het heelal, als de rimpelingen die zich in een vijver verspreiden wanneer je er een steentje in gooit. Voor ieder voorwerp dat dicht genoeg bij de verandering staat, zullen deze zwaartekrachtsgolven duidelijk merkbaar zijn; als onze zon ontploft zal dit zeker invloed hebben op de baan van de aarde. Het probleem met de voorspelling van Einstein is dat er (gelukkig) niet heel veel van dit soort veranderingen optreden in ons stukje van het heelal. En, net zo lastig als het is om in Scheveningen rimpelingen te meten die worden veroorzaakt door het vallen van een steen in het midden van de Atlantische Oceaan, zo lastig is het ook om zwaartekrachtsgolven die door verre objecten in het heelal worden veroorzaakt, hier op aarde waar te nemen. Wat Einstein zei, klinkt misschien wel logisch, maar bewijs het maar eens.

De zoektocht naar Einstein’s gelijk
In de afgelopen honderd jaar hebben wetenschappers zich over dit vraagstuk gebogen: hoe zijn zwaartekrachtsgolven te meten? Zo heeft de Amerikaan Joseph Weber in de jaren 60 van de vorige eeuw een enorme aluminium cilinder van 2 meter lang en een paar ton zwaar opgehangen in een trillingsvrije ruimte. Wanneer er een zwaartekrachtsgolf zou passeren, dacht Weber, zouden de aluminium staaf met het ritme van de zwaartekrachtsgolf gaan uitzetten en krimpen. Helaas bleek de aluminium staaf veel te ongevoelig, maar het denkwerk van Weber bracht een aantal nieuwe ideeën voort. Eén van die ideeën resulteerde in een samenwerking tussen onder andere Ronald Drever en Ray Weiss: het LIGO-project (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO bestaat uit een stelsel van laserbundels die door vacuümbuizen schijnen, richting trillingsvrij opgehangen spiegels. De teruggekaatste lichtstralen worden opgevangen in een detector, die de binnenkomende gegevens met elkaar vergelijkt. Onder normale omstandigheden zit er geen verschil tussen de binnenkomende lichtstralen, maar als er een zwaartekrachtsgolf passeert, worden de routes van de verschillende lichtbundels langer of korter. Niet veel langer of korter, het gaat hier om slechts enkele attometers (1 attometer is 0,000000000000000001 meter), maar genoeg voor de detector om verschillen meten tussen de binnenkomende lichtstralen. Om er zeker van te zijn dat deze verschillen niet worden veroorzaakt door lokale trillingen, staan er twee LIGO laboratoria in Amerika, met grofweg 4000 km daartussen.

Hier zie je één van de LIGO-laboratoria. Dit laboratorium bevindt zich nabij Livingston (Louisiana). Het andere laboratorium is te vinden nabij Hanford (Washington). Afbeelding: LIGO.

Hier zie je één van de LIGO-laboratoria. Dit laboratorium bevindt zich nabij Livingston (Louisiana). Het andere laboratorium is te vinden nabij Hanford (Washington). Afbeelding: LIGO.

Gevonden!
Op donderdag 11 februari kwam het nieuws naar buiten dat LIGO zwaartekrachtsgolven had geregistreerd, die werden veroorzaakt door het samensmelten van twee zwarte gaten, zo’n 1,3 miljard jaar geleden. De zwaartekrachtsgolven waren dus al 1,3 miljard jaar onderweg om de aarde uiteindelijk op 14 september 2015 te bereiken. Behoorlijke mazzel dat deze golf werd geregistreerd, aangezien de LIGO na vijf jaar lang offline te hebben gestaan wegens een grote upgrade, bijna precies op dat moment weer aan werd gezet. Wat tegelijkertijd de vraag oproept of de metingen dan wel zo betrouwbaar zijn. Maar voorlopig lijkt de wetenschappelijke wereld ervan overtuigd dat we nu toch echt een enorme stap hebben gezet in het oplossen van de puzzel van ons bestaan.

Het waarnemen van zwaartekrachtsgolven is één van de puzzelstukjes die nog ontbraken in de zoektocht naar ons begrip van het heelal. Door te kijken naar zwaartekrachtsgolven, kunnen we ontzettend veel leren over zwarte gaten, neutronensterren, supernova’s en de oerknal. De meeste informatie die we nu hebben over het jonge heelal, komt van achtergrondstraling, licht dat werd uitgezonden vanaf het moment dat het heelal doorzichtig werd voor licht, zo’n 300.000 jaar na de oerknal zelf. De verwachtingen zijn dat het heelal veel eerder al ‘doorzichtig’ werd voor zwaartekrachtsgolven, misschien wel slechts enkele fracties van een seconde na de oerknal. Nog ontbrekende puzzelstukjes zijn onder andere donkere materie, donkere energie, de natuurkunde van het binnenste van een zwart gat en de samenhang tussen de vier elementaire krachten: zwakke en sterke kernkracht, elektromagnetische kracht en zwaartekracht. We zijn er dus nog niet!

Pascal van der Aa (1981) heeft na zijn studie Biologie aan de Rijksuniversiteit Groningen de master Communicatie in de Bètawetenschappen afgerond. Naast zijn werk als docent op het voortgezet onderwijs, schrijft hij over natuurwetenschappen in brede zin. Hij heeft zich tot doel heeft gesteld zijn fascinatie voor de natuur over te brengen op een breed publiek.