Gravitatiegolven: rimpelingen door de ruimtetijd
Het heelal lijkt op het eerste gezicht stil. Sterren staan aan de hemel, sterrenstelsels bewegen door de ruimte en zwarte gaten zijn onzichtbaar. Toch vinden er voortdurend enorme gebeurtenissen plaats die zelfs de structuur van ruimte en tijd kunnen beïnvloeden.
Wanneer zeer zware objecten onder extreme omstandigheden bewegen, kunnen ze gravitatiegolven veroorzaken. Dit zijn kleine rimpelingen in de ruimtetijd die zich met de snelheid van het licht door het heelal voortplanten.
Gravitatiegolven geven astronomen daardoor een bijzondere nieuwe manier om naar het heelal te kijken. In plaats van alleen licht op te vangen, kunnen wetenschappers ook de bewegingen van extreem zware objecten rechtstreeks onderzoeken.
Wat zijn gravitatiegolven?
Gravitatiegolven zijn verstoringen in de ruimtetijd die ontstaan wanneer zeer zware objecten versnellen.
Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein zijn ruimte en tijd met elkaar verbonden. Massa en energie kunnen de ruimtetijd vervormen en deze vervorming beïnvloedt vervolgens hoe objecten bewegen.
Wanneer zware objecten op een bepaalde manier bewegen, kan een deel van deze verstoring zich naar buiten voortplanten als een golf.
Je kunt het vergelijken met rimpelingen die zich over het oppervlak van water verspreiden nadat er iets in het water is gevallen. Bij gravitatiegolven gaat het echter niet om water dat beweegt. Het zijn kleine veranderingen in de structuur van de ruimtetijd zelf.
Waar ontstaan gravitatiegolven?
Niet iedere beweging van een ster of planeet veroorzaakt een meetbare gravitatiegolf.
Om sterke gravitatiegolven te produceren, zijn extreem zware objecten en enorme versnellingen nodig. Vooral gebeurtenissen waarbij compacte objecten om elkaar heen bewegen zijn belangrijk.
Een bekend voorbeeld is de samensmelting van twee zwarte gaten.
Ook botsingen of samensmeltingen van neutronensterren kunnen gravitatiegolven veroorzaken. Deze gebeurtenissen behoren tot de krachtigste processen die we in het heelal kennen.
De golven die daarbij ontstaan, reizen vervolgens door de ruimte totdat ze uiteindelijk de aarde kunnen bereiken.
Twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien
Wanneer twee zwarte gaten dicht bij elkaar komen, kunnen ze om een gezamenlijk zwaartepunt draaien.
Tijdens dit proces verliezen ze energie in de vorm van gravitatiegolven. Daardoor komen ze langzaam dichter bij elkaar.
De omloopsnelheid neemt steeds verder toe. Uiteindelijk volgt een zeer snelle laatste fase waarin de twee zwarte gaten samensmelten.
De geproduceerde gravitatiegolf reist vervolgens door het heelal.
Tegen de tijd dat zo’n golf de aarde bereikt, is het signaal extreem zwak geworden. Toch kunnen zeer gevoelige instrumenten de kleine verandering in de ruimtetijd soms detecteren.
Een botsing van neutronensterren
Ook twee neutronensterren kunnen uiteindelijk naar elkaar toe bewegen en samensmelten.
Neutronensterren zijn extreem compact. Hoewel ze veel massa bevatten, zijn ze veel kleiner dan gewone sterren.
Wanneer twee van deze objecten om elkaar heen draaien, kunnen ze steeds meer energie verliezen door gravitatiegolven. Hun baan wordt daardoor kleiner en de snelheid neemt toe.
Vlak voor de samensmelting worden de gravitatiegolven bijzonder sterk.
Zo’n gebeurtenis kan bovendien gepaard gaan met andere vormen van straling. Astronomen kunnen daardoor soms zowel gravitatiegolven als licht van dezelfde kosmische gebeurtenis waarnemen.
Hoe bewegen gravitatiegolven door de ruimte?
Gravitatiegolven bewegen zich naar buiten vanaf hun bron.
Terwijl een golf door de ruimte reist, veroorzaakt hij een zeer kleine verandering in afstanden. De ruimte wordt daarbij in de ene richting een beetje uitgerekt en in een loodrechte richting tegelijkertijd een beetje samengedrukt.
Deze verandering is buitengewoon klein.
Een gravitatiegolf die de aarde bereikt, verandert de afstand tussen objecten daarom niet merkbaar voor mensen. Alleen extreem gevoelige meetapparatuur kan zo’n minieme verstoring detecteren.
Hoe weten we dat gravitatiegolven bestaan?
Einstein voorspelde het bestaan van gravitatiegolven al in 1916, kort nadat hij zijn algemene relativiteitstheorie had ontwikkeld.
Lange tijd konden wetenschappers de golven echter niet rechtstreeks meten.
Daarvoor waren instrumenten nodig die ongelooflijk kleine veranderingen in afstand konden detecteren.
Een belangrijke aanwijzing kwam eerder uit onderzoek naar dubbelsterren met neutronensterren. Astronomen zagen dat de baan van zo’n systeem langzaam veranderde op een manier die overeenkwam met energieverlies door gravitatiegolven.
Dat was sterk indirect bewijs.
De eerste rechtstreekse detectie volgde pas veel later.
De eerste rechtstreekse detectie
In 2015 werden voor het eerst rechtstreeks gravitatiegolven gemeten.
De signalen waren afkomstig van twee zwarte gaten die uiteindelijk waren samengesmolten. De meting werd gedaan door de detectoren van LIGO.
Het signaal was extreem kort en ongelooflijk zwak. Toch kwam het overeen met de voorspellingen voor de samensmelting van twee zwarte gaten.
Deze ontdekking was een belangrijk moment in de sterrenkunde.
Voor het eerst konden wetenschappers een gebeurtenis in het heelal niet alleen via elektromagnetische straling onderzoeken, maar ook via gravitatiegolven.
Hoe werkt een gravitatiegolfdetector?
Detectoren zoals LIGO gebruiken enorme installaties met lange armen.
Een laserstraal wordt opgesplitst en door twee loodrechte tunnels gestuurd. De lichtstralen worden vervolgens teruggekaatst en met elkaar vergeleken.
Wanneer er geen gravitatiegolf langskomt, is het systeem zeer nauwkeurig afgesteld.
Passeert er wel een gravitatiegolf, dan verandert de lengte van de twee richtingen een minuscuul beetje. Daardoor verandert ook het patroon van het laserlicht.
De verandering is zo klein dat de detector rekening moet houden met allerlei mogelijke verstoringen, zoals trillingen van de aarde en andere omgevingsinvloeden.
Een ongelooflijk kleine verandering
De afstanden die door een gravitatiegolf worden beïnvloed, veranderen maar een uiterst klein deel van hun oorspronkelijke lengte.
De gevoeligheid van de detectoren moet daarom enorm zijn.
Een gravitatiegolf kan bijvoorbeeld een verandering veroorzaken die kleiner is dan de afmetingen van een proton wanneer deze wordt vergeleken met de lengte van de meetarmen.
Dat klinkt bijna onmogelijk om te meten. Toch kunnen moderne detectoren zulke signalen onder de juiste omstandigheden herkennen.
Dit is een van de indrukwekkendste prestaties van moderne experimentele natuurkunde.
Gravitatiegolven vertellen iets anders dan licht
Astronomen gebruiken al eeuwenlang licht om het heelal te onderzoeken. Telescopen kunnen zichtbaar licht, infrarood, radiogolven, röntgenstraling en andere vormen van elektromagnetische straling waarnemen.
Gravitatiegolven bieden een aanvullende manier om naar het heelal te kijken.
Sommige gebeurtenissen zijn namelijk moeilijk of zelfs onmogelijk rechtstreeks met licht te zien.
Een botsing van twee zwarte gaten kan bijvoorbeeld nauwelijks zichtbaar licht produceren. De gravitatiegolven kunnen daarentegen wel een duidelijk signaal geven.
Astronomen krijgen daardoor informatie over objecten die anders grotendeels verborgen zouden blijven.
Een nieuw soort sterrenkunde
Sinds de eerste detecties is een nieuw onderzoeksgebied ontstaan: gravitatiegolfastronomie.
Wetenschappers kunnen nu zoeken naar signalen van samensmeltende zwarte gaten, neutronensterren en andere extreme gebeurtenissen.
Elke detectie levert informatie op over de massa, beweging en eigenschappen van de objecten die het signaal hebben veroorzaakt.
Door veel gebeurtenissen te vergelijken, kunnen astronomen bovendien onderzoeken hoe vaak zulke samensmeltingen plaatsvinden en hoe compacte objecten in het heelal ontstaan.
Gravitatiegolven en zwarte gaten
Zwarte gaten zijn bijzonder geschikt voor onderzoek met gravitatiegolven.
Ze produceren zelf geen licht dat uit hun binnenste kan ontsnappen. Wanneer twee zwarte gaten echter om elkaar heen bewegen, ontstaat er wel een meetbaar gravitatiegolfsignaal.
De vorm van dat signaal bevat informatie over de gebeurtenis.
Uit de veranderingen in het signaal kunnen wetenschappers bijvoorbeeld afleiden hoe zwaar de zwarte gaten waren en hoe hun banen veranderden voordat ze samensmolten.
Gravitatiegolven maken het daardoor mogelijk om zwarte gaten te bestuderen zonder dat we ze rechtstreeks hoeven te zien.
Wanneer gravitatiegolven en licht samenkomen
Soms wordt een kosmische gebeurtenis op meerdere manieren waargenomen.
Een bijzonder voorbeeld is de samensmelting van twee neutronensterren. Daarbij kunnen gravitatiegolven ontstaan, terwijl tegelijkertijd licht en andere straling wordt uitgezonden.
Wanneer telescopen hetzelfde verschijnsel vervolgens in verschillende golflengten waarnemen, krijgen astronomen een veel completer beeld.
Ze kunnen dan onderzoeken waar zware elementen ontstaan en hoe extreme kosmische gebeurtenissen verlopen.
Deze combinatie van verschillende soorten waarnemingen wordt ook wel multimessenger-astronomie genoemd.
Kunnen we alle gravitatiegolven meten?
Nee.
Het heelal zit waarschijnlijk vol gravitatiegolven, maar veel signalen zijn te zwak om met de huidige detectoren rechtstreeks te meten.
De gevoeligheid van een detector hangt bovendien af van de frequentie van de gravitatiegolf.
Daarom zijn verschillende soorten detectoren nodig om verschillende bronnen te onderzoeken.
Op aarde kunnen detectoren vooral bepaalde relatief snelle gebeurtenissen waarnemen. Voor veel langzamere gravitatiegolven zijn andere technieken nodig.
Gravitatiegolven met pulsars
Een van die technieken maakt gebruik van pulsars.
Pulsars zijn snel ronddraaiende neutronensterren die regelmatig pulsen van straling uitzenden. Omdat deze pulsen zeer regelmatig kunnen zijn, kunnen astronomen ze gebruiken als extreem nauwkeurige kosmische klokken.
Wanneer een langzame gravitatiegolf door de ruimte reist, kan deze de aankomsttijd van de pulsen heel subtiel beïnvloeden.
Door veel pulsars tegelijk te volgen, kunnen wetenschappers zoeken naar patronen die wijzen op langzame gravitatiegolven.
Op deze manier kunnen signalen worden onderzocht die niet geschikt zijn voor de detectoren op aarde.
Wat kunnen we in de toekomst ontdekken?
Gravitatiegolfastronomie staat nog relatief aan het begin.
Naarmate detectoren gevoeliger worden, kunnen steeds meer gebeurtenissen worden gevonden.
Wetenschappers hopen onder andere meer zwarte gaten en neutronensterren te ontdekken en beter te begrijpen hoe deze objecten ontstaan.
Ook kunnen gravitatiegolven mogelijk informatie geven over gebeurtenissen uit zeer vroege perioden van het heelal die met gewone telescopen moeilijk te onderzoeken zijn.
Toekomstige detectoren in de ruimte kunnen bovendien andere frequenties waarnemen dan de huidige instrumenten op aarde.
Daarmee kan een veel groter deel van het gravitatiegolfheelal zichtbaar worden.
Rimpelingen door het heelal
Gravitatiegolven zijn een bijzonder voorbeeld van hoe extreem het heelal kan zijn.
Een samensmelting van twee compacte objecten kan een verstoring veroorzaken die door miljarden lichtjaren aan ruimte reist voordat ze uiteindelijk met uiterst gevoelige apparatuur op aarde wordt gemeten.
Deze rimpelingen geven ons informatie die met gewoon licht soms niet toegankelijk is.
Dankzij gravitatiegolven kunnen astronomen daardoor niet alleen kijken naar het heelal, maar ook luisteren naar enkele van de krachtigste gebeurtenissen die zich daarin afspelen.
Een nieuw venster op de kosmos
De ontdekking van gravitatiegolven heeft onze manier van sterrenkunde bedrijven veranderd.
Waar astronomen vroeger voornamelijk afhankelijk waren van verschillende vormen van licht, kunnen ze nu ook veranderingen in de ruimtetijd zelf onderzoeken.
Zwarte gaten die samensmelten, neutronensterren die botsen en mogelijk nog onbekende kosmische bronnen laten daarmee een uniek spoor achter.
Elke nieuwe detectie helpt ons om beter te begrijpen hoe het heelal werkt en welke extreme gebeurtenissen zich ver buiten onze eigen kosmische omgeving afspelen.
Gravitatiegolven zijn letterlijk rimpelingen door de ruimtetijd — zwakke signalen van gebeurtenissen die soms miljarden jaren geleden en op enorme afstanden hebben plaatsgevonden.