Dankzij zwaartekrachtsgolven zullen we meer ontdekkingen doen in fundamentele natuurkunde en zelfs kunnen terugkijken naar de allereerste momenten van ons universum.
Op 11 februari kondigde het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo), aan dat het zwaartekrachtsgolven had gespot. Zwaartekrachtsgolven zijn de uitrekking en inkrimping van ruimtetijd en worden veroorzaakt door de bewegingen van enorme objecten.
De aankondiging veroorzaakte grote sensatie onder natuurkundigen en astronomen over de hele wereld. Zij maken zich nu klaar om de nieuwe manier van het universum bestuderen volledig te benutten.
Het signaal werd opgepikt door de twee observatoria van Ligo op 14 september 2015. Het werd veroorzaakt door het samensmelten van twee zwarte gaten die beiden dertig keer zo veel massa hadden als de zon. Dit beantwoordde onmiddellijk een vraag die astronomen al langer hadden. Voordat het signaal werd opgevangen was namelijk het bestaan van dit soort zwarte gaten nog niet eens zeker. Verdere observaties kunnen ons meer vertellen over exotische objecten zoals neutronensterren en supernova’s.
Maar dat is nog maar het begin. Met behulp van zwaartekrachtsgolven zullen we meer ontdekkingen doen in fundamentele natuurkunde en zelfs kunnen terugkijken naar de allereerste momenten van ons universum. Hier zijn vier mysteries uit de kosmologie die misschien definitief worden opgelost door zwaartekrachtsgolven.
1. Donkere energie
Als we verschillende metingen samen nemen, zouden we inzicht moeten krijgen in de geschiedenis en de samenstelling van het hele universum, zegt Avi Loeb van de Harvard-universiteit. Door signalen die worden veroorzaakt door verschillende samensmeltende zwarte gaten te combineren, kunnen we donkere energie beter begrijpen. Donkere energie zorgt voor het steeds sneller uitdijen van het universum.
De frequentie en amplitude van de golven verandert voortdurend. De precieze vorm van het signaal geeft informatie over hoe groot de zwarte gaten zijn en hoe heftig ze tot stand zijn gekomen. Door de kracht van de gebeurtenis te vergelijken met de zwakke vibraties die Ligo opving, kan berekend worden op welke afstand het zwarte gat ontstond. Gecombineerd met observaties van standaardtelescopen kan dit vertellen hoe de ruimte uitzette in de tijd die het de golven kostte om ons te bereiken. Dit geeft een maatstaf voor het effect dat donkere energie heeft op de ruimte.
Deze maatstaf zou sterker en betrouwbaarder zijn dan alles dat we tot nu toe hebben gebruikt. Het spotten van een paar samensmeltende zwarte gaten verandert alles, zegt Loeb. ‘Als je hier tientallen van hebt, zal dat zorgen voor een heel nieuwe tak in de kosmologie.’
2. Het equivalentieprincipe
Andere onderzoekers hopen dat ze met signalen van zwaartekrachtsgolven Einsteins relativiteitstheorie aan nog strengere tests kunnen onderwerpen. Een manier om dit te doen is met onderzoek aan het equivalentieprincipe. Dit is een aanname dat zwaartekracht op alle soorten massa een zelfde effect heeft.
‘In deze tijd van gps en ruimtereizen waarin zelfs geringe afwijkingen grote gevolgen hebben, is dit ontzettend belangrijk’, zegt XueFeng Wu van het Purple Mountain Observatory van Nanjing in China.
Erminia Valabrese die astronoom is aan de universiteit van Oxford, ziet zwaartekrachtsgolven als een manier om te controleren of zwaartekracht zich over lange afstanden gedraagt op de manier die de relativiteit voorspelt. ‘Als hun kracht over afstand op onverwachte wijze afneemt, zouden we dit kunnen detecteren met de toekomstige data van Ligo’, zegt ze.
3. Kosmische inflatie
Het succes van Ligo kan betekenen dat over de hele wereld meer zwaartekrachtsgolfdetectoren worden gebouwd. Met meer gevoelige detectoren die werken met kortere golflengten dan Ligo, kunnen we zwaartekrachtsgolven van het jonge universum detecteren. Deze golven moeten zijn ontstaan in de periode van kosmische inflatie. Dat was de enorme groeispurt van het universum in de eerste momenten na de oerknal.
Anders dan fotonen en andere elektromagnetische staling, zouden zwaartekrachtsgolven vrij door het pasgeboren universum hebben gereisd. Op dit moment kunnen we nog niet verder terug kijken dan 380.000 jaar na de oerknal, toen het universum transparant werd voor licht.
‘Misschien kunnen we bijna tot aan de oerknal kijken’, zegt Dejan Stojkovic van de State University van New York in Buffalo. Ligo zelf zal deze vibraties niet kunnen waarnemen, maar het succes van Ligo wekt de hoop op dat er meer experimenten van de grond zullen komen. ‘Nu we weten dat zwaartekrachtsgolven bestaan, zal het gemakkelijker zijn om mensen te overtuigen om geld te investeren en allerlei soorten zwaartekrachtsgolfdetectoren te bouwen,’ zegt Stojkovic.
4. Theorie van alles
Zwaartekrachtsgolven kunnen zelfs de weg wijzen naar een ’theorie van alles’ van het universum. Modellen voorspellen dat op een zeker moment in de geschiedenis van het universum, alle vier de fundamentele krachten waren verenigd in één enkele kracht. Toen het universum uitzette en afkoelde, scheidden deze krachten zich van elkaar af tijdens een aantal gebeurtenissen die we nog niet goed begrijpen.
‘Zwaartekrachtsgolfdetectoren die veel kortere golflengten meten, kunnen die onderzoeken’, zegt Stojkovic.
Daniel Holz van het Ligo-team denkt dat dit nog maar het begin is. ‘Elke keer dat we een nieuw raam openden naar het universum vonden we allerlei onverwachte dingen. Het was pas echt verrassend geweest als we niets verrassends hadden ontdekt.’
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: