Natuurkunde In 2015 werd voor het eerst een zwaartekrachtgolf gedetecteerd, een rimpeling in de ruimtetijd veroorzaakt door twee botsende zwarte gaten. Inmiddels staat de teller op 182. Wat is er geleerd?
Tekening van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien.
Op 14 september 2015, om tien voor elf in de ochtend, viel natuurkundige Marco Drago van zijn stoel van verbazing. Op zijn computerscherm zag de onderzoeker bij het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica in Hannover een grafiekje verschijnen dat onmiskenbaar van vorm was: een sinusachtige golfvorm die binnen twee tienden van een seconde steeds sneller, steeds krachtiger slingerde, om dan ineens uit te doven: de kenmerkende vingerafdruk van een zwaartekrachtgolf.
Het signaal was afkomstig van de zwaartekrachtgolvendetector LIGO in de Verenigde Staten, die pas enkele uren van tevoren was ingeschakeld door Amerikaanse natuurkundigen (die daarna hun bed waren ingedoken). Voor het eerst in de geschiedenis was er een zwaartekrachtgolf gedetecteerd, een rimpeling in de ruimtetijd, veroorzaakt door twee zwarte gaten die op elkaar botsten.
Na uitvoerige controle werd de waarneming op 11 februari 2016 gepubliceerd, en GW150914 gedoopt, naar ‘Gravitational Wave’ en de datum.
Zwaartekrachtgolvenfysica, een tot dan toe relatief onbekende uithoek van de natuurkunde, werd even wereldnieuws. In december 2017 kregen de Amerikaanse natuurkundigen Kip Thorne, Barry Barish en Rainer Weiss, die decennialang drijvende krachten waren geweest achter LIGO, de Nobelprijs voor Natuurkunde.
„Dit is nu tien jaar geleden. Er is in die tien jaar heel veel gebeurd: veel wat we niet hadden verwacht, maar ook zijn ook dingen niet gebeurd die we juist wél hadden verwacht”, zegt Gijs Nelemans, sterrenkundige aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. Nelemans was, net als Drago, lid van de LIGO-Virgo-samenwerking, het collectief van Amerikaanse en Europese natuurkundigen die samenwerkten om de historische detectie waar te maken.
Want de eerste detectie van zwaartekrachtgolven was een lang nagestreefd einddoel, maar ook een begin: nadat de aandacht overwaaide, bleven onderzoekers als Nelemans stug doorwerken aan steeds betere, gevoeligere en betrouwbaardere detectoren. In de buurt van Pisa in Italië verrees de Europese zwaartekrachtgolvendetector Virgo. Daarmee kunnen detecties in drievoud gedaan worden, en kan de positie van de botsing aan de hemel ongeveer bepaald worden.
Gestaag stapelden de zwaartekrachtgolvendetecties zich op, tot een catalogus van bevestigde botsingen van 182 stuks, en kwamen we steeds meer te weten over de golven en hun bronnen. Vijf dingen die natuurkundigen geleerd hebben in tien jaar zwaartekrachtgolvenjacht. Plus één wens voor de toekomst.
In zijn algemene relativiteitstheorie uit 1915 beschrijft Albert Einstein (1879-1955) hoe ruimte en tijd niet een onbewogen toneel zijn, waarop de echte natuurverschijnselen zich afspelen. Samen vormen ze een actief ingrediënt, de ruimtetijd, die kan vervormen, kromtrekken en golven.
Zulke rimpelingen in de ruimtetijd die zich voortplanten als golfjes over een vijver, heten zwaartekrachtgolven. Lang dachten natuurkundigen dat zulke golven weliswaar bestaan, maar nooit gemeten zouden kunnen worden.
Dat dit toch mogelijk was, kwam door de botsing van twee zwarte gaten, extreem dichte massaconcentraties waaraan zelfs licht niet kan ontsnappen. Voordat deze zwarte gaten op elkaar knalden, 29 en 36 maal zo zwaar als de zon, cirkelden ze lange tijd om elkaar heen, steeds sneller en elkaar steeds dichter naderend.
Door deze beweging werd de ruimtetijd in hun buurt extreem vervormd, en werden krachtige zwaartekrachtgolven opgewekt, die zich in het heelal verspreidden. De spiralende mallemolen eindigde in een botsing, waarbij de twee zwarte gaten samensmolten tot één, onder het uitzenden van een laatste stoot intense zwaartekrachtgolven.
Meetinstrumenten in Het interieur van het Virgo Gravitational Observatory in Pisa, Italië.
Na 1,3 miljard jaar reizen bereikten de opgewekte rimpelingen de aarde op die bewuste septemberdag, waarop de zwaartekrachtgolvendetector LIGO net was ingeschakeld. LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) bestaat uit twee gigantische installaties van lasers, spiegels en vacuümbuizen in de Amerikaanse staten Washington en Louisiana. Elke installatie bestaat uit twee vacuümbuizen van vier kilometer lang, haaks op elkaar geplaatst in een L-vorm. In die buizen kaatsen bundels intens laserlicht tegen spiegels die zo trillingsvrij mogelijk zijn opgehangen.
De passerende zwaartekrachtgolf veroorzaakte een minimaal wiebelen (van een miljardste nanometer) van die spiegels, wat zich vertaalde in een piepkleine verandering van het gecombineerde laserlicht. Die verandering, gemeten met een gevoelige lichtdetector, was het bewuste zwaartekrachtgolvensignaal. Een van de laatste openstaande voorspellingen van Einsteins theorie was daarmee bevestigd.
Drie jaar later bleek ook dat de golven zich, zoals verwacht, met de lichtsnelheid voortplanten. De detectie van twee botsende neutronensterren in 2017 liet zien dat de zwaartekrachtgolven na 140 miljoen jaar reizen tegelijkertijd aankwamen met het licht van de botsing, gezien door telescopen. Ze reizen dus even snel.
Vervormingen van de ruimtetijd veroorzaken de krachten die wij zwaartekracht noemen. Een extreem geval is een zwart gat, de gigantische massaconcentratie die ontstaat als een zware ster aan het einde van zijn leven instort. Het kromtrekken van ruimtetijd is zo krachtig dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen.
Aanvankelijk aangezien voor onzinnige fantasieën, bleken deze zwarte gaten in de jaren tachtig ook werkelijk te bestaan: het hart van ons melkwegstelsel herbergt een zwart gat, 4,1 miljoen keer zo zwaar als de zon. Dit monster, bekend als Sagittarius A*, is zelf niet te zien, maar door de bewegingen van sterren in de buurt weten we dat het er is. Ook andere sterrenstelsels hebben zo’n superzwaar zwart gat in hun centrum.
Sterrenkundigen ontdekten ook tientallen lichtere zwarte gaten van enkele, of enkele tientallen zonsmassa’s op tienduizenden lichtjaren afstand in ons eigen sterrenstelsel, vaak doordat ze achterliggend sterlicht vervormen.
Maar de detectie van twee botsende zwarte gaten door de zwaartekrachtgolven die ze tijdens het botsen opwekken, was het meest directe signaal, rechtstreeks afkomstig van de onzichtbare hemellichamen. Ook bleek na 2015 dat dubbele zwarte gaten, die om elkaar heen cirkelen, bepaald geen zeldzaamheid zijn in het heelal.
Op 17 augustus 2017 detecteerden de twee LIGO-detectors een signaal dat ruim honderd seconden duurde. De details van deze meting GW170817 wezen op twee botsende massa’s van 1,46 en 1,27 zonsmassa’s op 140 miljoen lichtjaar afstand. Dat is te licht voor zwarte gaten. Zulke massa’s horen eerder bij ‘neutronensterren’, extreem zware en dichte overblijfselen van lichtere instortende sterren.
Neutronensterren bestaan helemaal uit neutronen, de kerndeeltjes die ook in atoomkernen te vinden zijn. Een theelepel neutronenster weegt 600 miljoen ton, evenveel als 60.000 Eiffeltorens.
In tegenstelling tot zwarte gaten zenden botsende neutronensterren ook elektromagnetische straling uit, onder andere in de vorm van gammastraling. De ruimtetelescopen voor gammastraling Fermi en Integral pikten de signalen dan ook meteen op. Andere telescopen, waaronder de Hubble-telescoop, zagen röntgenstraling, licht en radiostraling toen ze op de bron gericht werden.
„We dachten: nu gaat het los”, zegt Nelemans. De detectie was het startschot voor de multiboodschappersterrenkunde, waarbij de botsende massa’s niet alleen door zwaartekrachtgolven en door licht gedetecteerd zou worden. Daarmee hoopten sterrenkundigen veel duidelijker te zien wat er precies gebeurde.
Maar sinds die dag in augustus bleef het stil. Er werden nog wel een paar botsende neutronensterren gedetecteerd, maar het bijbehorende licht helaas niet niet.
Nelemans: „Dat was een beetje een verrassing: we hadden eerder al veel dubbele neutronensterren gezien, dus verwachtten daar veel van. Maar van dubbele zwarte gaten wisten we eigenlijk niet of die bestonden. Nu blijkt dat we vrijwel alleen maar zwarte gaten zien.”
Met bijna tweehonderd detecties begint het langzaamaan mogelijk te worden om statistiek te bedrijven met de gegevens. Zo is duidelijk geworden dat er in de verdeling van de zwartegatenmassa’s een piek zit rond de 30 zonsmassa’s.
Zwarte gaten ontstaan als opgebrande sterren zwaarder dan vijf zonsmassa’s instorten. Hoe zwaarder de ster, hoe zwaarder het zwarte gat. Maar hoe komen ze in koppels terecht? Beginnen ze als dubbelsterren, of komen de twee elkaar pas als zwart gat tegen? En kunnen gebotste zwarte gaten later nog eens botsen, en zo stap voor stap groter groeien?
Volgens modellen voor de evolutie van sterren kunnen instortende sterren geen zwarte gaten zwaarder dan 50 zonsmassa’s vormen. Zwaardere sterren blazen zichzelf tijdens het instorten op zonder dat er iets overblijft.
Luchtfoto van de LIGO detector in Hanford, Californië. Samen met een soortgelijke detector 3.000 kilometer verderop in Louisiana vormt dit het meetinstrument om zwaartekrachtgolven te detecteren. De armen van de detectors die haaks op elkaar staan zijn vier kilometer lange vacuümbuizen.
Maar sommige van de gedetecteerde zwarte gaten lijken zich daar niets van aan te trekken. Op 23 november 2023 werd een botsing tussen zwarte gaten van 137 en 101 zonsmassa’s gedetecteerd, wat een zwart gat opleverde van 222 zonsmassa’s, een voorlopig record (een hoeveelheid energie equivalent aan 16 zonsmassa’s werd uitgezonden in de vorm van zwaartekrachtgolven).
Zulke waarnemingen ondersteunen het scenario, aanvankelijk voor onwaarschijnlijk gehouden, waarin zwarte gaten stap voor stap zwaarder worden, door herhaaldelijk met andere gaten te botsen. Nelemans: „Wel is tweehonderd waarnemingen nog een beetje weinig om goede statistiek te kunnen bedrijven, je zou eigenlijk richting duizend moeten gaan.”
Nog een raadsel: bij de gedetecteerde botsingen van massa’s is ook een handjevol objecten van tussen de 2 en 5 zonsmassa’s. Die mass gap-objecten zijn te licht om een zwart gat te zijn, maar te zwaar voor een neutronenster. Maar wat zijn het dan?
In tien jaar zijn de toch al gevoelige detectoren gestaag verbeterd. Terwijl de signaal-ruisverhouding van de eerste detecties rond de 10 lag, werd op 14 januari 2025 een zeer duidelijk signaal opgepikt met een signaal-ruisverhouding van 80. Dat maakt het mogelijk om het signaal nog dieper te analyseren, en om zo een wiskundige voorspelling van de bekende Britse theoretisch natuurkundige Stephen Hawking (1942-2018) te toetsen.
Hawking bewees in 1971 dat het totale oppervlak van botsende zwarte gaten niet kan afnemen, alleen toenemen. Die stelling klopte voor GW140125 met een zekerheid van 99,999 procent, lieten natuurkundigen dit najaar zien.
Einsteins theorie beschrijft zwarte gaten en zwaartekrachtgolven als vervormingen en golven in de ruimtetijd. Deze theorie klopt tot nog toe keurig, na alle detecties van zwarte gaten. Maar de theorie past tegelijk slecht bij de quantummechanica, die juist de natuurkunde van het allerkleinste beschrijft, zoals elementaire deeltjes.
Natuurkundigen proberen al decennia een logische quantumzwaartekrachttheorie op te stellen, waarin beide theorieën harmonieus samengaan. Tot nog toe zonder succes.
Eén probleem is dat het lastig is om natuurkundige verschijnselen waar te nemen waarbij zowel de quantummechanica als de algemene relativiteitstheorie een bepalende rol spelen.
Mogelijk kunnen zwaartekrachtgolvendetectoren daar uitkomst brengen, zegt Chris van den Broeck, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit Utrecht. „Een van de kandidaat-theorieën, de snaartheorie, beschrijft zwarte gaten als een stapeling van minuscule snaren, iets wat een fuzzball genoemd wordt.” Zo’n fuzzball zou eerder opgeslokte zwaartekrachtgolven weer kunnen uitspugen. „We zoeken dus ook naar zulke zwaartekrachtgolfecho’s. Maar we hebben nog niets gezien.”
Talloze andere voorspelde verschijnselen staan ook nog op het verlanglijstje: van zwaartekrachtgolven afkomstig van de oerknal, tot het botsen van zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s die zich in de centra van veel sterrenstelsels bevinden.
Een onderzoeker inspecteert de spiegel in de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston in dse Amerikaanse staat Louisiana. Hij gebruikt een lamp om de spiegel te controleren op verontreinigingen die de metingen zouden kunnen verstoren.
Voor die zoektocht wordt gewerkt aan verbeterde versies van LIGO en Virgo, de Japanse detector Kagra, en ook zijn er plannen voor de Einstein Telescoop, een zwaartekrachtgolvendetector met armen van tien kilometer die storingsvrij ondergronds in de rotsbodem gebouwd zou kunnen worden, gevoelig genoeg voor duizenden detecties per jaar. Een mogelijke locatie is het drielandenpunt in Zuid-Limburg.
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA is van plan om in 2035 LISA te lanceren (Laser Interferometer Space Antenna), een zwaartekrachtgolvendetector in de ruimte in de vorm van drie satellieten waartussen laserbundels van 2,5 miljoen kilometer lopen.
„We hebben nieuwe dingen ontdekt. Er is een nieuw venster op het heelal geopend, een compleet nieuw vakgebied”, zegt Gijs Nelemans, „maar eigenlijk is het jammer dat we niet echt iets fundamenteel nieuws hebben gevonden, iets wat niemand had verwacht.” Maar dat kan natuurlijk nog komen.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
NIEUW: Geef dit artikel cadeauAls NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.
Source: NRC