Zwaartekrachtsgolven, wat zijn dat?

Na een zoektocht van ongeveer 100 jaar zijn wetenschappers erin geslaagd om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Op 11 februari 2016 verkondigde het onderzoeksinstituut LIGO tijdens een persconferentie dat ze deze golven geregistreerd hadden. Hiermee is eindelijk het bewijs geleverd voor één van de gevolgen van Einsteins theorie. Namelijk het bestaan van golven die de ruimtetijd laten rimpelen.

Geschiedenis

In 1915 stelde Einstein zijn algemene relativiteitstheorie voor. Met deze theorie bracht hij de speciale relativiteitstheorie en de gravitatiewet van Newton samen. Volgens de algemene relativiteitstheorie krommen massa en energie de ruimtetijd. Hierdoor wordt de beweging van vrije deeltjes beïnvloed. Zwaartekrachtsgolven ontstaan als er een gigantische hoeveelheid energie vrijkomt. Deze energie plant zich dan voort als een rimpel door de ruimtetijd, zoals Einstein aangeduid heeft.

Stel je voor dat je naar een gigantische vijver kijkt. Het oppervlak van deze vijver kun je vergelijken met het net gevormd door de ruimtetijd. Stel nu dat er een steen wordt geworpen in het midden van de vijver. Er ontstaan rimpels, die starten vanaf de plaats waar de steen in het water werd geworpen. Hoe verder de rimpels zich van de bron verwijderen, hoe kleiner de rimpels. Merk ook op dat alles dat weerspiegeld wordt door de vijver vervormt als de rimpel voorbijkomt. In de ruimte is dit net hetzelfde. De zwaartekrachtsgolf loopt door het universum heen en vervormt alles waar hij voorbijkomt. De vervorming wordt kleiner naarmate de golf zich verder van de bron bevindt.

Hoe meten

Men maakt gebruik van deze vervorming bij het registreren van deze golven. De twee bekendste apparaten om deze vervormingen waar te nemen zijn de Virgo (Italië) en de LIGO (Noord-Amerika). Andere, minder bekende detectoren zijn de TAMA 300 (Japan) en de GEO600 (Duitsland). Er ook sprake van de eLISA (Europa), een nieuw apparaat dat in 2019 gelanceerd zou moeten worden.

LIGO en Virgo
LIGO en Virgo werken volgens hetzelfde principe. Een laserstraal wordt in tweeën gesplitst. Het ene deel van de straal gaat gewoon rechtdoor, terwijl het andere deel een hoek van negentig graden maakt en verder gaat in die richting. Deze twee stralen worden in een buis geleid, met op het einde een spiegel, die de stralen terugkaatst. Indien de stralen bij het terugkeren een verschillende afstand hebben afgelegd, dan wil dit zeggen dat er compressie of verlenging opgetreden is in één van de twee armen. Deze compressie/verlenging kan te wijten zijn aan een zwaartekrachtsgolf.

eLISA

De eLISA was oorspronkelijk een groter project, LISA genoemd, dat een samenwerking zou worden tussen de NASA (Amerika) en het ESA (Europa). Omdat de NASA zich terugtrok uit het project was er een meer budgetvriendelijke oplossing nodig. Deze werd eLISA gedoopt.

De eLISA is een detector die in de ruimte geplaatst zal worden. Door gebruik te maken van drie satellieten waartussen laserstralen zullen lopen, wil men een veel nauwkeuriger instrument realiseren. Deze satellieten zouden op een afstand van 1 miljoen kilometer (LISA: 5 miljoen kilometer) van elkaar worden geplaatst. Satellieten ondervinden ook heel wat minder valse signalen, waardoor de nauwkeurigheid stijgt.

Betekenis van de ontdekking

Nu zeker is dat zwaartekrachtsgolven bestaan en men in staat is ze te registeren kunnen deze gebruikt worden om meer informatie over het universum te verkrijgen. Tot nu toe waren wetenschappers steeds beperkt tot zichtbare verschijnselen, omdat telescopen en andere observatiemethoden gebruikmaken van licht. Hierdoor is het onmogelijk om zwarte gaten, die geen licht uitstralen, te registreren. Met zwaartekrachtsgolven kan men deze wel bestuderen. Zo werd er tijdens de conferentie op 11 februari 2016 verteld dat de gemeten golven afkomstig waren van twee samengesmolten zwarte gaten.

Via zwaartekrachtsgolven hoopt men nieuwe informatie te verkrijgen over de beginjaren en het ontstaan van het universum, iets wat met conventionele methodes niet mogelijk bleek.