Gravitatiegolven: alles wat u moet weten over ‘de rimpels van Einstein’

Aanstaande donderdag, 11 februari, geven wetenschappers van de LIGO Scientific Collaboration en de Virgo Collaboration een update over hun zoektocht naar zwaartekrachtsgolven, de door Albert Einstein voorspelde rimpelingen in de ruimtetijd. Al enkele maanden doen geruchten de ronde over de vraag of de LIGO– en Virgo-teams zwaartekrachtsgolven hebben ontdekt.

De persconferentie vindt plaats een eeuw nadat Einstein de voorspelling van het bestaan van zwaartekrachtsgolven publiceerde. Wetenschappers zouden nu het eerste observationele bewijs van gravitatiegolven hebben gevonden.

Hoe ontstaan gravitatiegolven?
De meest waarschijnlijke bronnen van zwaartekrachtsgolven zijn samensmeltende neutronensterren. Dat zijn dode sterren die tijdens hun leven meer dan drie keer zo zwaar waren als onze zon en nu alleen nog uit neutronen bestaan. De dichtheid van zo’n ster is enorm: één theelepeltje neutronenster weegt al gauw een miljard ton. Soms komen neutronensterren als tweelingen voor: beide sterren draaien dan supersnel om elkaar heen. De algemene relativiteitstheorie van Einstein zegt dat ze daarbij energie verliezen, waardoor ze langzaam in een spiraal naar elkaar toe draaien – met aan het eind van de rit een enorme klap tot gevolg. Het hele rotatieproces en de uiteindelijke samensmelting brengen zulke grote veranderingen in het lokale zwaartekrachtsveld teweeg dat er gedurende een korte tijd een uitbarsting van zwaartekrachtsgolven plaatsvindt – als de theorie klopt, natuurlijk.

Een andere bron van zwaartekrachtsgolven spreekt misschien (nog) meer tot de verbeelding. Want niet alleen neutronensterren komen soms als tweelingen voor, ook zwarte gaten vormen al eens een koppel. Als die samensmelten, vindt een nog krachtigere kosmische gebeurtenis plaats. Krachtig genoeg om zwaartekrachtsgolven te produceren die van op een immense afstand te detecteren zijn.

Wie zijn LIGO en Virgo, de teams die zoeken naar zwaartekrachtsgolven?
Natuurkundigen zijn er al langer van overtuigd dat zwaartekrachtsgolven bestaan, maar ze konden die vooralsnog niet rechtstreeks waarnemen. Met LIGO, dat staat voor Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, willen fysici zogenoemde zwaartekrachtsgolven oppikken. De opzet van het LIGO-experiment: als zo’n zwaartekrachtsgolf onze planeet passeert, veroorzaakt dat in de gigantische detector een verstoring die niet onopgemerkt blijft. Tegelijkertijd werken technici in Europa, meer bepaald bij Pisa in Italië, aan de Virgo-detector, zeg maar de Europese tegenhanger van LIGO.

LIGO en Virgo hebben er beide al een eerste leven op zitten. Het voorbije decennium onderzochten fysici of deze detectoren überhaupt in staat zijn zwaartekrachtsgolven te detecteren – het proof of principle, dus. Lang voordat LIGO en Virgo werden gebouwd, stonden de huidige vernieuwingen trouwens al gepland. Dankzij die upgrades, Advanced LIGO en Advanced Virgo, hebben de nieuwe versies een gevoeligheid die tien keer groter is dan in de vorige versie.

“Een detector die tien keer gevoeliger is, zorgt ervoor dat we in elke richting tien keer verder kijken,” vertelde Chris Van Den Broeck, een Belgische natuurkundige die werkt op het Nikhef, het Nationale Instituut voor Subatomaire Fysica in Amsterdam, in november nog in het Vlaamse tijdschrift Eos. Dat is nauw betrokken bij zowel het LIGO– als het Virgo-onderzoek. Van Den Broeck staat onder meer in voor de data-analyse in het Virgo-project. “Net zoals alle golfverschijnselen zwakken ook zwaartekrachtsgolven af naarmate ze zich verplaatsen doorheen het heelal. Die factor tien betekent uiteindelijk dat we uitzicht hebben op duizend keer zoveel bronnen van zwaartekrachtsgolven. Onze kansen verhogen dus aanzienlijk met de Advanced LIGO en Virgo.”

Wat betekent een ontdekking van de zwaartekrachtsgolven?
De grote vraag is niet of zwaartekrachtsgolven al dan niet bestaan, want daarover bestaat onder natuurkundigen nog weinig twijfel. “Wat we wel graag weten, is of de ruimtetijd precies zo trilt als de algemene relativiteitstheorie voorspelt, en niet op een andere manier. In die zin is het dus een belangrijke test voor de theorie,” zegt Chris Van Den Broeck.

De algemene relativiteit mag dan al ettelijke tests met glans hebben doorstaan, met de zoektocht naar zwaartekrachtsgolven begint de ultieme test. “Voor het eerst wordt de theorie getoetst in ‘sterke velden’, waar de krachten gigantisch zijn en de dynamica enorm is. Als er iets niet klopt in de relativiteitstheorie, dan moet het hier aan de oppervlakte komen.”

Wat als de zwaartekrachtsgolven anders trillen dan de algemene relativiteit voorschrijft? 
Van Den Broeck: “Dan breken er spannende tijden aan, zowel voor experimenteel als theoretisch natuurkundigen. Want we moeten op dat moment uitvissen wat er precies mis is met Einsteins relativiteitstheorie. Mogelijk moet de hele theorie dan op de schop.”

Volgens Van Den Broeck valt van zwaartekrachtsgolven trouwens nog veel meer te leren. “Ze bieden een volkomen nieuw venster op het universum. Talloze interessante fenomenen in de astrofysica begrijpen we pas echt goed aan de hand van de zwaartekrachtsgolven die ze uitzenden. Ook biedt rechtstreekse detectie ongekende nieuwe mogelijkheden in de kosmologie, bijvoorbeeld om het heelal te bestuderen toen het nog maar een fractie van een seconde oud was.”

Is er een wereldwijde race aan de gang tussen de onderzoekers van LIGO en die van Virgo, net zoals we zagen tijdens de zoektocht naar het higgsdeeltje (waarbij de Europeanen van CERN wedijverden met de Amerikanen van Fermilab)?
“Helemaal niet”, zegt Van Den Broeck. “In deze zoektocht is het geen overbodige luxe om over meerdere detectoren te beschikken. Omdat de verstoringen die een zwaartekrachtsgolf veroorzaakt zo klein zijn, is het zeer moeilijk uit te sluiten of ze misschien gewoon het gevolg zijn van een passerende trein, een windstoot of een lokale aardbeving. Maar als de twee LIGO-detectors in de VS en de Virgo-detector in Europa op hetzelfde moment iets meten, dan kunnen we er wel van op aan dat we een zwaartekrachtsgolf te pakken hebben.”

Maar er zijn nog meer voordelen. “Werken met meerdere detectoren laat toe om de plaats van de bron te bepalen. Als we, in uitgesteld relais, weten dat een golf is aangekomen in Virgo, en een paar tellen later in beide LIGO’s, dan berekenen we aan de hand van de tijdsverschillen waar de golf precies vandaan kwam in het heelal. Met die informatie kunnen onze collega-astronomen aan de slag om eventuele elektromagnetische signalen uit dezelfde regio te onderscheppen – mocht het bijvoorbeeld om een stel neutronensterren gaan.” Om die elektromagnetische tegenhangers op te sporen, ontwikkelt de Radboud Universiteit Nijmegen momenteel een speciale serie telescopen.

In hoeverre is de speurtocht naar zwaartekrachtsgolven vergelijkbaar met die naar het Higgsdeeltje? 
Zullen er, na een mogelijke detectie, maanden tot zelfs jaren overheen gaan vooraleer alle twijfels over de aard van de bron verdwijnen? “We praten in termen van hoogstens enkele maanden, zeker geen jaren. We moeten weliswaar een hele batterij controles doen om uit te zoeken of het niet om een vals signaal gaat, maar dat neemt maximaal enkele maanden in beslag.”

Zijn de wetenschappers na de ontdekking klaar?
Terwijl fysici op mogelijk de eerste zwaartekrachtsgolven hebben gedetecteren, liggen er al plannen op tafel voor een vervolgexperiment in de ruimte – met ambities die het aardse geëxperimenteer vele malen overstijgen. Met LISA (Laser Interferometer Space Antenna) wil het Europese Ruimtevaartagentschap ESA een gigantische detector lanceren die de zwakste zwaartekrachtsgolven oppikt. De detector zou bestaan uit drie satellieten die, jawel, vijf miljoen kilometer uit elkaar liggen. Het grote voordeel van de ruimte is dat er geen storingen aanwezig zijn. De lancering van LISA staat momenteel gepland voor 2034.

Tegelijkertijd ligt er een ontwerpstudie op tafel voor een ondergronds observatorium dat de Einstein Telescope zou heten en speciaal naar zwaartekrachtsgolven zou zoeken. Doordat de gevoeligheid van die detector vele malen hoger ligt, zou de Einstein Telescope tienduizenden bronnen per jaar waarnemen. Seismisch onderzoek toont aan dat het zuiden van de Nederlandse provincie Limburg uitermate geschikt is voor die ondergrondse megafaciliteit.