Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

Wachten op een 'oewip!'

Home

BAS DEN HOND

Honderd jaar na Einstein hopen astronomen wereldwijd nog altijd op de eerste waarneming van zwaartekrachtgolven. Wie weet is het dit jaar raak, denken onderzoekers in Seattle.

Het sterrenpaar had een miljard jaar op dit moment gewacht. Al die tijd hadden de twee neutronensterren om elkaar heen gedraaid met de regelmaat van de klok - een ijselijk nauwkeurige klok. Hoe zou het ook anders kunnen: die twee sterren waren ver voorbij het einde van hun actieve, lichtgevende bestaan. Een groot deel van hun massa waren ze kwijtgeraakt in een supernova-explosie en de restanten waren daarna door de zwaartekracht bij elkaar gezogen tot zelfs de atomen kapot gingen. Twee kogelronde verzamelingen van kerndeeltjes resteerden, slechts een paar kilometer groot en voor die grootte onvoorstelbaar zwaar. Wat zou hun gezamenlijke dans kunnen verstoren?

En toch trok er iets aan deze twee werelden. Langzaam maar zeker werd de dans inniger. En vuriger, want hoe kleiner de afstand tussen hen werd, des te sneller draaiden ze om elkaar heen. Maar daardoor werd er weer harder aan ze getrokken. Dagen omlooptijd werden uren, uren werden minuten, seconden... En toen was het voorbij.

Voorlopig. Want een paar miljoen jaar later, op een planeet een paar miljoen lichtjaren verwijderd van de plek van de catastrofe, liet een monitor de weerslag zien van de laatste tiende seconde ervan. Een slingerlijn die, als de grafiek een geluidsgolf zou voorstellen, zou klinken als 'oewíp!'

Of - in het Engels - als 'chirp', zeggen de astronomen die al jaren op dat kenmerkende signaal wachten. Zij zijn op jacht naar zwaartekrachtgolven, voelbare trillingen van de ruimte zelf. Die moeten bestaan, zo volgt uit de formules van de algemene relativiteitstheorie. Maar honderd jaar nadat die theorie door Albert Einstein werd ontvouwd, moeten die golven nog steeds gezien worden.

Lees verder na de advertentie

Rotsvaste zekerheid

Op de jaarvergadering van de American Astronomical Society in Seattle werden begin deze maand de mogelijke oorzaken daarvan op een rij gezet. Optimisme overheerste: die waarneming gaat er komen, wie weet al dit jaar. En anders toch binnen een paar jaar, want het instrumentarium wordt steeds verder uitgebreid.

Dat zwaartekrachtgolven bestaan, daarover is in die honderd jaar rotsvaste zekerheid gegroeid. In het begin was dat zeker niet zo. Niet alleen debatteerden wetenschappers daar onderling over, Einstein zelf veranderde in de eerste jaren een paar maal van gedachten - niemand had heel veel ervaring met het hanteren van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie, en de meester zelf maakte in zijn eerste artikel over de golven een paar rekenfouten.

Maar dat er zoiets als zwaartekrachtgolven, gravitatiegolven, moet bestaan volgt eigenlijk logisch uit twee andere dingen die Einstein begin vorige eeuw ontdekte: dat niets sneller gaat dan het licht, en dat je de aantrekkende zwaartekracht tussen twee hemellichamen kunt beschrijven als een vervorming van de ruimte tussen die twee. Stel bijvoorbeeld dat de maan van het ene moment op het andere zou verdwijnen. Dat zouden we pas anderhalve seconde later zien, want tot zo lang is er nog licht onderweg. De relativiteitstheorie eist dat het water in de zee het verdwijnen van de maan ook dan pas merkt. Tot dat moment is de informatie nog onderweg. Dat moet een soort zwaartekrachtgolf zijn.

Plotseling verdwijnende hemellichamen zijn zeldzaam (hoewel de Nederlandse astronoom Joeri van Leeuwen even zo'n verdwijning dacht te zien, zie kader). Wat er wel in overvloed is, zijn om elkaar heen draaiende hemellichamen, van planeten en sterren tot neutronensterren en zwarte gaten.

Botsing

De golven die het draaien van de aarde om de zon opwekt, zijn werkelijk verwaarloosbaar. Anders ligt dat met twee snel om elkaar heen draaiende neutronensterren, en dat is dan ook de verklaring dat die op den duur naar elkaar toe zullen spiralen: de golven die ze opwekken, voeren energie af uit het systeem.

De daaruit resulterende botsing heeft nog nooit iemand gezien, maar het voorstadium, een meetbare verkorting van de omlooptijd van een neutronen-dubbelster is wel waargenomen. Dat eerste indirecte bewijs van het bestaan van gravitatiegolven leverde de ontdekkers in 1993 de Nobelprijs op.

Je zou veel meer te weten kunnen komen over neutronensterren en andere zware objecten in het heelal, als je de golven direct zou kunnen meten. Dat doe je in principe met een lineaal. Als een golf recht op Nederland zou neerdalen, zou Amsterdam eventjes wat verder van Utrecht komen te liggen, en daarna juist eventjes dichterbij. En dat zonder dat Dom- of Westertoren daardoor om zouden vallen, want geen van beide steden komt een millimeter van zijn plaats. Ze blijven waar ze zijn in de ruimte die Nederland heet, maar die ruimte zelf wordt eventjes groter en kleiner.

In de praktijk gaat het zelfs bij heel sterke zwaartekrachtgolven om afstandsverschillen die kleiner zijn de de kern van een atoom. En toch wordt naarstig geprobeerd om die te meten. In het Ligo bijvoorbeeld, een observatorium in het moerasbos van Louisiana. Daar kaatst laserlicht heen en weer tussen spiegels die op vier kilometer afstand van elkaar staan. Er zijn twee banen met spiegels, loodrecht op elkaar, en het weerkaatste licht in die twee banen wordt voortdurend met elkaar vergeleken. Als er een gravitatiegolf langskomt en hij is sterk genoeg, dan zal die vergelijking het afstandsverschil verraden.

Duplicaat

Het Ligo in Louisiana heeft een duplicaat in de staat Washington. Dat is hard nodig want alleen zo kun je een gravitatiegolf die de aarde passeert onderscheiden van een lokale verstoring die een minstens zo groot signaal afgeeft, een langsrijdende vrachtauto bijvoorbeeld. Het resultaat van die twee observatoria samen, en een handvol vergelijkbare instrumenten elders in de wereld, is tot nu toe echter: niets.

Dat verontrustte de onderzoekers die vorige week in Seattle samen kwamen, niet. Nog niet. Neem die twee naar elkaar toe spiralende neutronensterren. Die doen er miljarden jaren over voor ze zover zijn, en daarna duurt het samensmelten met een luid 'oewip!' nog geen seconde. Van de duizenden neutronen-dubbelsterren die dicht genoeg bij de aarde staan om door het Ligo waargenomen te kunnen worden, zijn op ieder moment de meeste dus muisstil. Toen het observatorium met zijn waarnemingen begon, in 2002, werd verwacht dat het maar eens in de dertig jaar iets zou kunnen horen. Maar het Ligo is verbouwd, en dit jaar beginnen de waarnemingen met gevoeliger instrumenten, die verder weg kijken naar meer neutronensterren. De twee observatoria zouden elk jaar tientallen gebeurtenissen moeten kunnen zien.

Geen trillingen

Wil je nog verder kijken, dan kun je het beste de ruimte in. De Europese ruimtevaartorganisatie Esa heeft een project op de tekentafel, eLISA, dat zal bestaan uit drie satellieten. Zo'n opsteling in de ruimte is gevoeliger omdat de lichtbaan waarop je afstandsverschillen meet veel langer is (een miljoen kilometer) en er geen storende trillingen zijn zoals op aarde. Het duurt misschien nog wel tien jaar, maar dit jaar gaat er alvast een voortrekker de ruimte in, LISA Pathfinder, waarmee de gebruikte technieken zullen worden getest.

Ondertussen is een nog veel grotere ruimtetelescoop voor zwaartekrachtgolven al in de ruimte aanwezig, en toch heeft die niets gekost: de International Pulsar Timing Array. Dat is een internationaal project waarin pulsars in de gaten worden gehouden, neutronensterren die regelmatig radiogolven naar de aarde uitzenden. Als zich zwaartekrachtgolven tussen een paar pulsars door bewegen, en de ruimte tussen die twee vervormt, moet dat op aarde aan hun pulsen te zien zijn.

In feite vormt elk stel pulsars dat zo in de gaten wordt gehouden een telescoop voor gravitatiegolven met een antenne van duizenden lichtjaren groot. De arrays zijn daarmee de grootste astronomische waarnemingsinstrumenten die er zijn. Maar die antennegrootte legt ook beperkingen op: daarmee is de array 'afgestemd' op zwaartekrachtgolven met een heel lange golflengte.Het getjilp van twee naar elkaar spiralende neutronensterren kun je er niet mee waarnemen. Wel dat van superzware om elkaar heen draaiende zwarte gaten. Met zo'n waarneming zou de astronomie natuurlijk ook dolgelukkig zijn. Kwam hij maar eens.

Op zoek naar de J1906+0746

Het enige bewijs tot nu toe van het bestaan van gravitatiegolven is de krimp van de baan van om elkaar heen draaiende neutronensterren. Die kan worden gemeten dankzij de neiging van die sterren om smalle bundels radiogolven uit te zenden, die met de ster meedraaien als de lichtbundel van een vuurtoren. Als die bundel daarbij toevallig telkens over de aarde heen komt, is daar een regelmatig pulserend signaal te zien.

Behalve gravitatiegolven laat zo'n pulsar ook nog op een andere manier zien dat de ruimte 'meedoet' bij de bewegingen van hemellichamen. Dat merkte de Nederlandse astronoom Joeri van Leeuwen. Met de Amerikaanse Arecibo radiotelescoop ontdekte hij in 2004 een pulsar op een plek waar die tot dan toe nog nooit was gezien.

Waar kwam 'J1906+0746' opeens vandaan? De verklaring haalde Van Leeuwen uit het feit dat na enkele jaren het signaal weer verzwakte. De bundels radiostraling die de pulsar uitzond, begonnen de aarde kennelijk gaandeweg te missen.

En net zo moeten ze de aarde ergens in de jaren negentig zijn gaan raken.

Om dat te analyseren had Van Leeuwen de door Einstein geïntroduceerde theorie van de zwaartekracht nodig. Aan het signaal is te zien dat de ster in beweging is: hij draait om een andere ster heen, vermoedelijk ook een neutronenster. Je zou denken dat dat niet uitmaakt voor de richting waarin hij zijn radiogolven stuurt, zo'n snel ronddraaiende ster houdt in principe zijn stand in de ruimte, als een gyroscoop. Maar de relativiteitstheorie gooit roet in het eten: doordat de ruimte wat vervormd is tussen de pulsar en de andere ster is de stand na een hele omwenteling toch net iets anders geworden.

Honderd jaar geleden wist Einstein met zijn nieuwe aanpak van de zwaartekracht, de algemene relativiteitstheorie, te verklaren dat Mercurius net niet helemaal om de zon draaide op de manier die de toen nog klassiek rekenende sterrenkunde verwachtte.

In deze eeuw verklaart diezelfde algemene relativiteitstheorie waarom J1906+0746 nu niet meer verder onderzocht kan worden. Want de ster is weg. Als de berekeningen nu wel kloppen, krijgt de astronomie hem in 2170 weer in beeld.

Deel dit artikel