Zwaartekrachtsgolven: hoe LIGO het heelal leerde horen
Het heelal was nooit stil
LIGO gaf de sterrenkunde een nieuw zintuig: geen licht, maar rimpelingen in ruimte en tijd.
Liever kijken dan lezen?
LIGO gaf de sterrenkunde een nieuw zintuig: geen licht, maar rimpelingen in ruimte en tijd.
Zwaartekrachtsgolven zijn minuscule rimpelingen in ruimte en tijd. Ze ontstaan onder meer wanneer zwarte gaten of neutronensterren om elkaar draaien en botsen. LIGO ziet die botsing niet met een telescoop, maar meet hoe de ruimte zelf heel even wordt uitgerekt en ingedrukt.
Dat klinkt als een theoretisch detail. Het veranderde de sterrenkunde fundamenteel. Eeuwenlang leerden we het heelal kennen via licht: zichtbaar licht, radiogolven, röntgenstraling en andere vormen van elektromagnetische straling. Sinds 2015 kunnen onderzoekers zware kosmische botsingen ook op een tweede manier waarnemen. Het is alsof de sterrenkunde naast ogen ineens oren kreeg.
Wat beweegt er bij een zwaartekrachtsgolf?
Niet een onzichtbare wind en ook geen deeltje dat tegen de aarde botst. De afstanden tussen objecten veranderen een fractie. In de ene richting wordt de ruimte iets langer, terwijl de richting haaks daarop iets korter wordt. Even later draait dat patroon om.
Op menselijke schaal merk je daar niets van. De verandering die LIGO bij een sterke golf meet, is ongeveer een tienduizendste van de diameter van een proton. De officiële LIGO-uitleg noemt het observatorium daarom terecht een uitzonderlijk staaltje precisietechniek.
Waarom heeft LIGO twee armen van vier kilometer?
Elke LIGO-detector heeft de vorm van een enorme L. Een laser wordt gesplitst en door twee vacuümbuizen gestuurd. Aan het einde staan spiegels die bijna al het infrarode laserlicht terugkaatsen. Normaal komen beide lichtbundels zo terug dat ze elkaar bij de detector uitdoven.
Komt een zwaartekrachtsgolf langs, dan worden de armen niet exact even lang. De twee bundels lopen daardoor uit fase en er verschijnt een klein lichtsignaal. Hoe langer de armen, hoe duidelijker dezelfde relatieve vervorming wordt. LIGO laat het licht bovendien ongeveer driehonderd keer tussen spiegels heen en weer kaatsen. De laser legt zo effectief een veel grotere meetafstand af.
Waarom staan er twee detectoren 3.000 kilometer uit elkaar?
Een vrachtwagen, aardbeving, onweersfront of technisch defect kan één meetlocatie verstoren. Een echte golf uit het heelal bereikt beide Amerikaanse detectoren vrijwel tegelijk en met een voorspelbaar patroon. Dat dubbele bewijs was beslissend bij de eerste directe waarneming op 14 september 2015.
Het signaal, bij onderzoekers bekend als GW150914, kwam van twee zwarte gaten die ongeveer 1,3 miljard jaar geleden samensmolten. Beide LIGO-locaties registreerden dezelfde korte ‘chirp’. Honderd jaar na Einsteins voorspelling was de rimpeling rechtstreeks gemeten.
Wat leren we dat gewoon sterrenlicht niet vertelt?
Zwarte gaten zenden zelf geen licht uit. Hun botsingen zijn daardoor moeilijk rechtstreeks te zien. Zwaartekrachtsgolven dragen juist informatie over hun massa, baan en samensmelting. Bij botsende neutronensterren kunnen onderzoekers het zwaartekrachtsignaal combineren met licht van telescopen. Zo werd duidelijker hoe zware elementen kunnen ontstaan.
Dit is een ander onderwerp dan astrologische sterrenbeelden. Een sterrenbeeld zoals Ram of Vissen is een culturele indeling van de hemel en van geboortedata. LIGO meet een natuurkundig effect. Wie eerst de bekende tekens en hun namen wil onderscheiden, vindt hier het overzicht van de twaalf sterrenbeelden in het Engels.
De volgende detector hoort verder en zachter
De geplande Einstein Telescope in Europa krijgt volgens het huidige onderzoeksontwerp drie ondergrondse armen van tien kilometer. Cosmic Explorer in de Verenigde Staten onderzoekt locaties voor detectoren met armen van twintig en veertig kilometer. Grotere instrumenten kunnen zwakkere en verder weg gelegen bronnen meten.
De echte belofte is niet dat we zwaartekracht binnenkort kunnen besturen. Daarvoor bestaat geen technisch pad. De winst is concreter en interessanter: gebeurtenissen waarnemen die met licht alleen verborgen blijven. Het heelal heeft altijd gerimpeld. We hebben pas net geleerd hoe we moeten luisteren.
