In dit blogbericht onderzoeken we de wetenschappelijke betekenis en de nieuwe mogelijkheden die de eerste directe waarneming van zwaartekrachtgolven door de mens met zich meebracht. We bekijken ook hoe dit de moderne natuurkunde en de manier waarop we het heelal observeren, heeft veranderd.
De Nobelprijs voor Natuurkunde 2017 werd toegekend aan drie Amerikaanse natuurkundigen – Kip Thorne, Rainer Weiss en Barry Barish – die een beslissende rol speelden in de ontdekking van zwaartekrachtgolven. Ze werden in februari 2016 erkend voor hun prestatie om zwaartekrachtgolven voor het eerst rechtstreeks te detecteren bij LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Maar wat zijn zwaartekrachtgolven precies en waarom is de bevestiging ervan belangrijk genoeg om een Nobelprijs voor Natuurkunde te rechtvaardigen? Om dit te begrijpen, moeten we eerst het concept van zwaartekrachtgolven onderzoeken.
Het concept van 'zwaartekrachtgolven' bestaat al meer dan een eeuw. Albert Einstein voorspelde ze voor het eerst in 1916 met zijn algemene relativiteitstheorie. Volgens deze theorie vervormen objecten met massa de ruimtetijd, en zwaartekracht is het fenomeen dat door deze kromming ontstaat. Bovendien veroorzaken versnellende objecten rimpelingen in deze gekromde ruimtetijd, die zich als golven met de lichtsnelheid naar buiten voortplanten. Dit zijn zwaartekrachtgolven. Wanneer een zwaartekrachtgolf erdoorheen gaat, wordt de ruimte zelf vervormd, waarbij deze in de ene richting uitrekt en in de andere richting samentrekt.
De vervorming van de ruimte veroorzaakt door zwaartekrachtgolven is echter extreem klein, waardoor ze onder normale omstandigheden niet detecteerbaar zijn. Ze worden alleen in significante mate geproduceerd tijdens enorme kosmische gebeurtenissen zoals de botsing van twee zwarte gaten of een supernova-explosie, maar zelfs dan is het signaal extreem zwak. Huidige zwaartekrachtgolfdetectoren meten de verandering in de mate waarin de ruimte is uitgerekt. De verstoring die werd veroorzaakt door de zwaartekrachtgolf die LIGO detecteerde, rekte en kromp de ruimte dit keer slechts ongeveer 10⁻²¹ keer uit. Om deze kleine verandering te meten, moet de lengte worden gemeten met een precisie kleiner dan een duizendste van de straal van een neutron binnen een detector van ongeveer 5 km lang. Dit was praktisch onmogelijk. Daarom was het vóór LIGO onmogelijk om zwaartekrachtgolven direct te detecteren; hun bestaan kon alleen indirect worden afgeleid.
Hoe slaagde LIGO erin om deze minieme lengteveranderingen direct te detecteren? Met andere woorden, hoe konden zwaartekrachtgolven worden waargenomen? LIGO maakt fundamenteel gebruik van het principe van een interferometer. Een interferometer is een instrument dat gebruikmaakt van het fenomeen lichtinterferentie om afstandsveranderingen uiterst nauwkeurig te meten. Om dit te begrijpen, moeten we eerst kijken naar golfinterferentie.
Golven zijn vergelijkbaar met rimpelingen. Wanneer twee golven van dezelfde vorm elkaar ontmoeten, neemt hun amplitude toe (constructieve interferentie) of af (destructieve interferentie), afhankelijk van hoe ze elkaar overlappen. Als beide golven met dezelfde fase aankomen, treedt constructieve interferentie op. Als één golf echter later aankomt, waardoor de gecombineerde golven uit fase raken, treedt destructieve interferentie op. Het tijdsverschil in aankomst tussen twee golven veroorzaakt dus een verandering in de amplitude van de gecombineerde golf, en dit is het interferentieverschijnsel.
Omdat licht ook een golf is, treedt interferentie op wanneer twee lichtgolven samensmelten. Door de amplitude van de gecombineerde golf te analyseren, kunnen we het tijdsverschil in aankomst tussen de twee lichtgolven berekenen, wat gelijkstaat aan het berekenen van het afstandsverschil. Als twee lichtbundels namelijk gelijktijdig vertrekken, geldt: hoe groter de afstand, hoe groter het verschil in aankomsttijd.
LIGO is gebaseerd op de 'Michelson-interferometer', een van de interferometers in zijn soort. De Michelson-interferometer is ook een historisch belangrijk experimenteel apparaat, met name gebruikt in het Michelson-Morley-experiment. Dit experiment toonde aan dat de lichtsnelheid onafhankelijk is van de richting en dat licht geen apart medium nodig heeft om zich voort te planten.
De Michelson-interferometer werkt volgens het volgende principe. Licht van één bron wordt in twee bundels gesplitst door een centraal geplaatste bundelsplitser (een apparaat dat de helft van het licht doorlaat en de andere helft reflecteert). De twee bundels worden gereflecteerd door spiegels die op vaste afstanden zijn geplaatst en recombineren vervolgens tot een interferentiepatroon. Als de lichtsnelheid varieerde met de richting, zou de tijd die de twee gesplitste bundels nodig hadden om te recombineren verschillen, wat zou resulteren in een verandering in het interferentiepatroon. Het Michelson-Morley-experiment voorspelde een dergelijke verandering in het interferentiepatroon, maar er werd geen verandering waargenomen, wat leidde tot de conclusie dat de lichtsnelheid constant is. Dit feit leverde Einstein later cruciale aanwijzingen op bij het formuleren van zijn relativiteitstheorie.
LIGO is in wezen een grootschalige uitbreiding van deze Michelson-interferometer. De afstand tussen LIGO's bundelsplitser en zijn reflecterende spiegel bedraagt ongeveer 4 km. Deze afstand alleen was echter onvoldoende voor betrouwbare detectie van zwaartekrachtgolven, dus integreerde LIGO een 'Fabry-Pérot-buis'. Deze techniek reflecteert licht ongeveer 400 keer binnen een 4 kilometer lange buis, wat effectief een padlengte van 1,600 kilometer oplevert. Dit maakt nauwkeurigere metingen van kleine afstandsveranderingen mogelijk. Dankzij deze geavanceerde technologische combinatie slaagde LIGO er op 14 september 2015 voor het eerst in om zwaartekrachtgolven, gegenereerd door de botsing van twee zwarte gaten, direct waar te nemen.
Waarom is de ontdekking van zwaartekrachtgolven zo'n monumentale gebeurtenis? Ten eerste ligt de betekenis ervan in de directe bevestiging van Einsteins relativiteitstheorie. Het bestaan van zwaartekrachtgolven, voorspeld door de relativiteitstheorie, is experimenteel bewezen. Maar de grotere waarde ervan ligt elders. Het betekent dat de mensheid een compleet nieuw instrument heeft gekregen om het heelal te observeren. Deze verandering is vergelijkbaar met het moment waarop de mensheid de telescoop creëerde. Tot nu toe vertrouwde de astronomie uitsluitend op licht – dat wil zeggen elektromagnetische golven – om hemellichamen te observeren. Maar nu zwaartekrachtgolven zich hebben gevestigd als een nieuw observatie-instrument, is er eindelijk een wereld opengegaan die voorheen ontoegankelijk was voor elektromagnetische golven.
Bij supernova-explosies hebben we bijvoorbeeld nooit direct kunnen waarnemen wat er in hun kern gebeurt. Dit komt doordat de immense laag materie die de supernovakern omhult, het licht blokkeert. Zwaartekrachtgolven daarentegen gaan door materie heen met minimale interferentie, waardoor we verschijnselen die zich diep in hemellichamen afspelen, kunnen vastleggen.
De mensheid staat nu aan de vooravond van een nieuw tijdperk, de 'zwaartekrachtgolfastronomie'. Zwaartekrachtgolven zullen ons een compleet nieuw perspectief op het heelal bieden, waardoor we de geheimen van verschillende hemellichamen kunnen ontrafelen en een stap dichter bij het begrijpen van de oorsprong van het heelal kunnen komen. We kijken vol spanning uit naar de ontdekkingen die deze waarnemingen zullen opleveren en hopen dat onderzoek naar zwaartekrachtgolven het begrip van de mensheid over de kosmos verder zal vergroten.
