Wat is een zwaartekrachtsgolf?
Sir Isaac Newton is de grondlegger van onze moderne ideeën over de zwaartekracht. Denk aan de vallende appel. Een voorwerp “valt” naar beneden omdat de aarde aan de appel trekt en de appel aan de aarde. Als we echter gaan kijken naar hele kleine deeltjes, binnenin atomen, of juiste hele grote, sterren en andere objecten in de ruimte, dan blijkt dat Newton ’s theorie toch net niet altijd helemaal klopt. Voor onze metingen op Aarde is deze afwijking niet zo van belang, maar als objecten zwaarder worden is dat wel zo.
Het was Albert Einstein die hier een nieuwe theorie op los liet. In 1915 kwam hij met de Algemene Relativiteitstheorie aanzetten. Dit is een uitbreiding op de speciale relativiteitstheorie die wat bekender is bij het grote publiek. De ruimte en de tijd zijn geen op zichzelf staande elementen, maar deze moet je samenpakken. Hij noemde dit de ruimtetijd. Onze Aarde beweegt dus ook niet door de ruimte, maar door de ruimtetijd. En elk object (of preciezer energie) in deze ruimtetijd zorgt voor een verstoring hiervan.
De algemene relativiteitstheorie stelt dat de zwaartekracht bestaat doordat een massa de ruimtetijd vervormt. Denk bijvoorbeeld aan een trampoline die inzakt als je erop gaat zitten. Leg je dan een balletje op de rand, dan rolt dit balletje naar je toe. Als we het balletje nu niet op de rand leggen, maar juist om jou heen laten rollen, zal deze langs die verandering van de ruimtetijd naar je toe rollen. Als we gaan kijken naar de beweging van onze Aarde om de Zon dan zien we iets soortgelijks ontstaan. De grote massa van de Zon zorgt voor een flinke vervorming van de ruimtetijd. De Aarde, met een veel kleinere massa volgt een baan door deze gekromde ruimtetijd en zal hierdoor om de Zon heen blijven draaien. Als je gaat springen op de trampoline, dan zakt hij niet rustig in maar ontstaan er nog veel meer rimpelingen.
Einstein voorspelde dat zoiets ook zou gebeuren in het heelal als zeer compacte, zware en energierijke objecten zouden versnellen door de ruimte: de ruimtetijd gaat rimpelen. En deze rimpelingen van de ruimtetijd noemen we een zwaartekrachtsgolf. Deze golf verplaatst zich vervolgens met de lichtsnelheid door het heelal en verliest heel langzaamaan energie.
Een object dat door deze ruimtetijd beweegt zal dus rimpelingen, oftewel zwaartekrachtsgolven, veroorzaken. Deze rimpelingen zijn alleen erg klein en hier merken we ook helemaal niets van. Het is dus erg lastig om deze te gaan onderzoeken. 2 Botsende zwarte gaten, met enorme massa’s, produceren namelijk maar een golf met een amplitude van 1% van de diameter van een atoom.
Massa vervormt ruimtetijd
Voorwerpen die door de ruimtetijd versnellen zorgen voor rimpelingen in deze ruimtetijd. Denk bijvoorbeeld aan een steentje dat je in het water gooit. Dit steentje zorgt voor een rimpeling van het wateroppervlak en deze rimpeling dooft langzaam uit. In het heelal gaat het echter niet om een steentje, maar gaat het om ruimtelichamen met enorm grote massa’s.
Deze voorwerpen zijn te categoriseren in 3 groepen:
- Continue zwaartekrachtsgolven: Deze ontstaan door een ronddraaiend massief object zoals bijvoorbeeld een neutronenster. Deze ronddraaiende ster genereert, doordat de massa niet helemaal netjes verdeeld is, een continue stroom van zwaartekrachtsgolven.
- Compacte binaire zwaartekrachtsgolven: Als twee neutronensterren en/of zwarte gaten om elkaar heen draaien zenden ze zwaartekrachtsgolven uit en hierdoor neemt de energie van het systeem af. Dit noemen we een spiraalbeweging (inspiral). Door de afname in energie neemt de onderlinge afstand af en gaan ze steeds sneller om elkaar heen draaien. Hierdoor gaan ze nog meer energie afgeven en komen ze weer dichter bij elkaar en… dat gaat zo door totdat ze samensmelten (mergen). Dit proces leidt tot een steeds sterker wordende zwaartekrachtsgolf.
- Stochastische zwaartekrachtsgolven: Dit zijn zwaartekrachtsgolven die zorgen voor een soort ruis in het signaal. Deze signalen zouden gevormd kunnen zijn in de eerste momenten kort na de oerknal.
Het patroon van de zwaartekrachtsgolf geeft informatie over de veroorzaker ervan: de frequentie van zwaartekrachtsgolf GW150914 (Gravitational Wave gemeten op 14-09-2015, let op de Amerikaanse notering van de datum), en de toename daarvan, liet zien dat die werd veroorzaakt door het steeds sneller om elkaar heen draaien van twee zwarte gaten, totdat ze samensmolten tot een groter zwart gat. Dit fenomeen was al wel voorspeld, maar tot nu toe was er geen manier om het te meten. Voor het eerst is deze informatie – die per zwaartekrachtsgolf naar de aarde kwam – opgevangen en ‘gelezen’.
Waarom willen we deze meten?
Deze rimpelingen in de ruimtetijd zijn heel klein, en bijna niet te meten. Waarom doen we dan toch al die moeite?
Een belangrijke reden dat we hier toch onderzoek naar doen heeft te maken met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Naast deze zwaartekrachtsgolven volgen er meer voorspellingen uit die theorie. Het is dus erg belangrijk voor de wetenschap om na te gaan of deze theorie echt klopt. Als we iets kunnen meten wat Einstein voorspelt heeft, dan blijft deze theorie gelden.
Een tweede belangrijke reden is dat we eigenlijk nog maar erg weinig weten over het heelal in het algemeen. We kennen wat sterren en planeten en kunnen er van een afstand naar kijken, maar er zit ook nog erg veel onbekende energie en massa in het heelal waar we graag meer van willen weten. Door het bestuderen van hemellichamen die zwaartekrachtsgolven uitzenden kunnen we meer te weten komen over deze objecten en de effecten die zij hebben om het heelal.
Moeilijk te meten
Een zwaartekrachtsgolf is te zeer lastig te meten. Het gaat om een trilling met een extreem kleine amplitude, 10-20, oftewel de afmeting van een waterstofatoom op een grootte van 10 miljoen kilometer. Maar niet alleen de gevoeligheid is een probleem, ook het feit dat alles “last” heeft van die verstoring van de ruimtetijd is een probleem.
Als een zwaartekrachtsgolf de ruimte in elkaar duwt, duwt die ook het meetinstrument in elkaar. Dan meet je dus geen verschil. Er is dus een meetlat nodig die niet vervormt door een zwaartekrachtsgolf – de constante snelheid van licht.
Bovendien zitten we met nog een derde probleem: Er trilt van alles op de aarde: door verkeer, wind, de aarde zelf, elektriciteit, etc. Er is dus erg veel ruis die de meting kan verstoren.