Vrijdag 19/08/2022

Wetenschap

Eindelijk bewijs: de ruimte rilt, theorie Einstein klopt

Archieffoto van een zwart gat. Beeld AP
Archieffoto van een zwart gat.Beeld AP

Het hoge woord is eruit, na weken vol geruchten en speculaties: het heelal zelf rilt nu en dan als een waterbed waar een klap op is gegeven. Amerikaanse en Europese fysici en astronomen bevestigden vandaag op persconferenties in de VS, Italië en in Nederland dat voor het eerst een dergelijke zwaartekrachttrilling is waargenomen. Maandagochtend 14 september 2015 iets voor elven (11.51:45) is de aarde aantoonbaar getroffen door zo'n minieme ruimterilling, veroorzaakt door twee elkaar opslokkende zwarte gaten anderhalf miljard lichtjaar hier vandaan.

Martijn van Calmthout

De ontdekking, gedaan met twee reusachtige laseropstellingen in Washington en Louisiana, wordt meteen gezien als het hardste bewijs ooit voor de algemene relativiteitstheorie van Einstein uit 1915. Ook is het voor het eerst dat een dubbel zwart gat direct wordt waargenomen. "Het signaal was ongelofelijk sterk, veel sterker dan we ooit hadden verwacht", zegt de Nijmeegse astronoom Gijs Nelemans van de Nederlandse Radboud Universiteit aan de Volkskrant, die de astronomische publicatie bij de ontdekking coördineerde. "De slingering is al met het blote oog in de data te zien. Normaal hebben we daar maanden rekenen voor nodig."

Opmerkelijk is dat het voorval een kleine week voor de officiële ingebruikname van de net voor honderden miljoenen opgeknapte LIGO-detectoren werd gezien. "Een analist in nota bene Berlijn die de data op dat moment in de gaten hield, stuurde een mailtje rond: jongens, hier moeten jullie misschien toch al vast even naar kijken. Daarna is het vijf maanden uitsluiten van eventuele fouten en storingen geweest", zegt fysicus prof. Jo van den Brand van het Nikhef, nauw betrokken bij het LIGO-project. "Zelfs fake-signalen en sabotage zijn uitgesloten."

Over deze historische ontdekking

Zwaartekrachtsgolven ontrafelen het geheim van het heelal, maar wat zijn ze eigenlijk?

Er was al enige tijd behoorlijke opwinding onder wetenschappers over deze ontdekking

Al die maanden stilzwijgen in een project met 1.400 betrokkenen, vielen hem zwaar, zegt Van den Brand. "Vooral toen er toch geruchten begonnen rond te gaan, en je gewoon wilt vertellen wat je hebt." Theoretisch fysicus Chris Van den Broeck valt hem bij: "Mijn vrouw wist het, verder niemand. Dat is moeilijk."

Bij een harde klap een trilling

Einsteins theorie voorspelt dat ruimte en tijd als een waterbed kunnen trillen als er een voldoende harde klap op wordt gegeven. Zulke trillingen, voorspelde Einstein ook, breiden zich met de lichtsnelheid uit, als de kringen na een steen in de vijver. Afstanden tussen punten kunnen daardoor meetbaar variëren.

Gravitatiegolven zijn een buitengewoon subtiel verschijnsel, dat enorme installaties vergt om het op te merken. De gebruikte LIGO-detectoren op de prairies van Hanford, Washington en in Livingstone, Louisiana, bestaan uit twee 4 kilometer lange rechte buizen, waarin haaks op elkaar laserlicht tussen spiegels aan de uiteinde kaatst.

De apparatuur kan afwijkingen van veel minder dan een atoomdiameter in de lengtes van de buizen opmerken. Verreweg de meeste signalen ontstaan door trillingen op aarde zelf, van passerende vrachtwagens tot aardbevingen. Er is geavanceerde analyse nodig om daar eventuele gravitatiegolven tussenuit te vissen.

Vandaag verschenen gelijktijdig de eerste vier van liefst vijftien publicaties over de ontdekking, de belangrijkste in Physical Review Letters, met meer dan duizend auteurs. De golf van 14 september duurde ongeveer 0,2 seconde, en telde vijf slingeringen, zowel in de aanloop als enkele erna. De spiegels in de LIGO-detectoren stonden bij de piek ongeveer een miljoenste van een miljardste millimeter minder van elkaar dan de normale 4 kilometer. Twee latere verdachte signalen, in oktober en december, zijn nog in onderzoek of inmiddels toch weer afgelegd.

De Virgo-detector in Italië. Beeld AFP
De Virgo-detector in Italië.Beeld AFP

Belangrijk daarbij is de astronomische oorsprong van zulke golven. Die ontstaan vermoedelijk als twee enorm zware objecten, zoals neutronensterren of zwarte gaten, extreem snel om elkaar beginnen te draaien, net voor ze op elkaar botsen. Daarbij krijgen de ruimtetijdgolven een heel specifiek profiel, waarbij de trillingen tegelijk steeds sneller en harder gaan. Dat geeft in de detectoren een 'chirp' die geldt als een lakmoesproef voor een gravitatiegolf.

Net als bananen

De waarneming van september heeft dat profiel onmiskenbaar, zegt theoretisch fysicus Chris Van den Broeck van het Nikhef, coördinator van de internationale data-analyse van LIGO. Hij wijst op het ruwe signaal, een gele oplopende streep op een groene ondergrond die de onderzoekers grappend 'bananen' noemen. "Wat we zien past bij twee botsende zwarte gaten van 35 en 30 maal de massa van de zon, die eindigen in een nieuw zwart gat van 62 zonsmassa's. In totaal wordt de massa van drie zonnen omgezet in pure ruimtetijdtrillingen."

De botsing vond naar schatting anderhalf miljard lichtjaar ver weg plaats, ver buiten onze Melkweg, vermoedelijk aan de zuidelijke sterrenhemel. In de laatste fase tolden de zwarte gaten ongeveer 75 keer per seconde om elkaar heen. Volgens de Nederlandse projectleider prof. Jo van den Brand van het Nikhef zijn dat de meest extreme omstandigheden die ooit zijn waargenomen. "Dit is de ultieme test voor theorieën over zwaartekracht."

Een wetenschapper bij de LIGO-detector in de VS. Beeld AFP
Een wetenschapper bij de LIGO-detector in de VS.Beeld AFP

Grote sterrenwachten - die met conventionele apparatuur speuren naar lichtflitsen aan de hemel - zagen geen veranderingen toen de zwaartekrachtsgolf voorbij rolde, ook omdat twee detectoren niet heel precies een bron kunnen aanwijzen. Dit jaar komt in Italië ook de Virgo-detector in het netwerk, fusiepartner van LIGO en nu al volop in de data-analyses betrokken. Het drietal zal nieuwe bronnen wel preciezer aan de sterrenhemel kunnen uitpeilen, al is niet gezegd dat daar ook echt iets te zien zal zijn met telescopen of radiotelescopen.

De Amsterdamse theoretisch natuurkundigen en Spinozaprijswinnaar prof. Erik Verlinde, niet bij LIGO betrokken, is lyrisch over de eerste vondst van gravitatiegolven. Zelf werkt hij aan een theorie die ver voorbij Einsteins relativiteitstheorie gaat. "Maar dit soort trillingen zullen daar zeker ook in moeten voorkomen."

Astronoom Gijs Nelemans kan zijn geluk nog steeds nauwelijks op, zegt hij. "Bedenk je vooral dat dat signaal anderhalf miljard jaar geleden is ontstaan en al die tijd naar ons onderweg is geweest. Dat zoiets heftigs gebeurt op de dag dat je je detector aanzet, is haast belachelijk veel geluk hebben." De onderzoekers hadden eerder vooral rekening gehouden met trillingen van botsende neutronensterren, die vaker voorkomen maar wel zwakkere signalen zullen geven.

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234