We staan wellicht aan de vooravond van een nieuw tijdperk in de natuur- en sterrenkunde. Als astronomen inderdaad een zwaartekrachtsgolf hebben gemeten afkomstig van twee neutronensterren, kunnen ze vanaf nu één verschijnsel op twee volstrekt verschillende manieren bestuderen. Dat opent een nieuw venster op de ruimtetijd, het flexibele geraamte van het heelal.

Botsende neutronensterren kun je op twee manieren observeren: via het licht dat ze uitzenden en via de zwaartekrachtsgolven die ze opwekken. Beeld: NASA.

‘New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!’ Met deze enigszins cryptische tweet bracht de Amerikaanse astronoom J. Craig Wheeler op 18 augustus wereldwijd wetenschappers in vervoering. Want LIGO is het instituut dat zwaartekrachtsgolven meet. En een optical counterpart betekent dat je de bron ervan kunt zien. Met andere woorden: LIGO heeft vermoedelijk een zwaartekrachtsgolf gemeten die afkomstig is van een zichtbare bron – vermoedelijk twee neutronensterren.

In februari 2016 maakten wetenschappers van het LIGO-instituut in de VS bekend dat ze voor het eerst een zwaartekrachtsgolf hadden ontdekt. Precies honderd jaar eerder had Albert Einstein het bestaan van de golven voorspeld. Die voorspelling volgde uit zijn algemene relativiteitstheorie, waarmee Einstein de bestaande ideeën over ruimte en tijd volledig op de schop gooide.

Flexibel als Barbapapa

Eeuwenlang dachten fysici op dezelfde manier over deze begrippen als de doorsnee voorbijganger in de Kalverstraat: ruimte is een onveranderlijk driedimensionaal toneel waarop alle gebeurtenissen in het heelal plaatsvinden, tijd een universele klok die voor iedereen even hard tikt.

Maar hoe intuïtief deze beschrijvingen ook zijn, ze kloppen niet. Einstein achterhaalde dat ruimte en tijd elkaar beïnvloeden. Zo verloopt de tijd langzamer als je beweegt, maar juist sneller als je boven op een bergtop staat. Daaruit concludeerde Einstein, samen met zijn oud-docent Hermann Minkowski, dat ruimte en tijd gezamenlijk één vierdimensionaal geheel vormen: de ruimtetijd.

In eerste instantie beschouwde Einstein dit geheel van ruimte en tijd als iets stars. Een soort onzichtbaar vierdimensionaal raamwerk waaruit het heelal is opgebouwd. Later ontdekte hij echter dat de ruimtetijd niet star is, maar zo flexibel als Barbapapa. Zware objecten vervormen de ruimtetijd, zoals een bowlingbal het oppervlak van een trampoline indeukt. Dat verklaart waarom planeten om een ster heen draaien en– meer in het algemeen – waarom zware objecten alles in de buurt naar zich toe trekken. Dit verschijnsel was onder de noemer zwaartekracht natuurlijk al eeuwenlang bekend, maar er was nog nooit een bevredigende verklaring voor gegeven.

In 1916 concludeerde Einstein dat de ruimtetijd zelfs zo flexibel is, dat er golven doorheen kunnen bewegen, vergelijkbaar met de rimpelingen die ontstaan wanneer je een steen in een vijver smijt. Die golven ontstaan voortdurend overal in het heelal, maar meestal zijn ze te zwak om op aarde te meten. We zien alleen zwaartekrachtsgolven die het resultaat zijn van een woeste kosmische gebeurtenis, zoals het samensmelten van twee zwarte gaten – de oorsprong van alle drie de golven die LIGO tot nu toe heeft gemeten.

Ruimtetijdraadsels

De metingen van zwaartekrachtsgolven zijn voor fysici in meerdere opzichten van grote waarde. Ten eerste bevestigen ze eens te meer de theorie van Einstein – die overigens zelf dacht dat de golven nooit gemeten zouden worden. Ten tweede bieden ze een nieuwe methode om zwarte gaten te bestuderen, de raadselachtige kosmische veelvraten die alle materie en straling in hun omgeving opslokken.

Maar de belangrijkste reden dat natuur- en sterrenkundigen in de ban zijn van zwaartekrachtsgolven, is dat ze een nieuw venster op het heelal openen. Waar astronomen voorheen alleen naar sterren en straling konden kijken, kunnen ze nu ook de ruimtetijdrimpelingen observeren. Op die manier kunnen ze in theorie het heelal bestuderen zoals het vlak na de oerknal was – een periode zonder sterren en straling, maar mét zwaartekrachtsgolven. Door zo ver terug te kijken, hopen fysici enkele openstaande ruimtetijdraadsels op te lossen. Bijvoorbeeld rond de uitdijing van het heelal, die veel sneller verloopt dan je op basis van de samenstelling zou verwachten.

Waterslang

In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt Yannick Fritschy op toegankelijke wijze hoe Einstein ruimte en tijd bijeenbracht. €10. Bestel het boek in onze webshop.

Aan zwarte gaten kleeft echter een probleem: ze geven geen licht. Daardoor kun je alleen hun zwaartekrachtsgolven meten, verder niets. Botsende sterren kun je daarentegen op twee manieren observeren: via hun golven én via het licht dat ze uitstralen. Gewone sterren produceren geen sterke golven, maar koppels van neutronensterren – de overblijfselen van ingestorte zware sterren – doen dat wel. Bovendien produceren neutronensterren zwaartekrachtsgolven die langer aanhouden dan die van zwarte gaten, zodat je ze beter kunt meten.

Een week na de verspreiding van het gerucht maakte LIGO bekend dat er inderdaad ‘veelbelovende zwaartekrachtsgolfkandidaten’ in de metingen waren opgedoken. Wereldwijd worden nu telescopen gericht op de bron – een op 130 miljoen lichtjaar afstand gelegen stelsel in het sterrenbeeld Waterslang – om te bevestigen dat het signaal afkomstig is van twee botsende neutronensterren. Zo ja, dan hebben fysici vanaf nu een nieuw wapen om de raadsels van de ruimtetijd te lijf te gaan.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder: