Voor het eerst hebben astronomen tekenen gevonden van de gravitational wave background: een ruis van zwaartekrachtsgolven die vermoedelijk in het hele universum aanwezig is.
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd, vergelijkbaar met de rimpelingen die je ziet wanneer je een steen in een vijver gooit. Ze ontstaan bij heftige kosmische gebeurtenissen zoals botsingen tussen zwarte gaten.
Wanneer zo’n gebeurtenis op relatief kleine afstand van de aarde plaatsvindt, kunnen de LIGO- en Virgo-detectoren de resulterende zwaartekrachtsgolf meten. Op die manier hebben de detectoren sinds 2015 ruim vijftig kosmische clashes blootgelegd.
Langgerekt signaal
Verderop in het heelal vinden echter voortdurend van dit soort botsingen plaats. Her en der smelten sterrenstelsels samen, evenals de superzware zwarte gaten die zich in hun midden bevinden. Bij al deze botsingen komen zwaartekrachtsgolven vrij. Samen vormen die een permanente achtergrondruis: de gravitational wave background (GWB).
Deze achtergrondruis is voorlopig onmeetbaar voor LIGO en Virgo. In tegenstelling tot een nabije botsing zorgen de verre gebeurtenissen namelijk niet voor een kortstondige en voorspelbare opschudding van de ruimtetijd. In plaats daarvan veroorzaken ze een willekeurige, minieme verandering die jarenlang aanhoudt. Zulke langgerekte golven zijn niet te onderscheiden van de andere vormen van achtergrondruis waar de detectoren mee te maken hebben.
Silent disco
Daarom proberen Amerikaanse astronomen de GWB op een andere manier waar te nemen. In het project NANOGrav houden ze hun telescopen jarenlang gericht op enkele tientallen pulsars. Dit zijn neutronensterren die bekendstaan als de vuurtorens van het heelal: doordat ze razendsnel rondtollen, sturen ze zeer regelmatig lichtsignalen onze kant op.
Wanneer de tijd tussen twee van die signalen een kleine afwijking vertoont, wijst dat mogelijk op het bestaan van de GWB. De achtergrondzwaartekrachtsgolven vervormen namelijk de ruimtetijd tussen pulsar en aarde. Daardoor verandert het ritme waarin de lichtsignalen ons bereiken.
Wat dat betreft kun je het onderzoek vergelijken met het op afstand bekijken van een silent disco: als iemand met een koptelefoon op in een bepaald ritme gaat dansen, geeft dat je een idee van de achtergrondmuziek, ook al hoor je die zelf niet. Net zo kunnen afwijkingen in het ritme van pulsarsignalen het bestaan van de GWB verraden.
Blender
Die afwijkingen zijn echter dermate klein dat ze heel moeilijk te meten zijn. ‘Deze pulsars draaien ongeveer even snel rond als een blender. En wij zoeken naar afwijkingen in hun omlooptijd van enkele honderden nanoseconden’, zegt onderzoeksleider Joseph Simon van de University of Colorado Boulder.
En zelfs als je zo’n minieme afwijking vindt, hoeft die niet per se door de GWB veroorzaakt te zijn. Het licht kan bijvoorbeeld onderweg naar de aarde door een passerende gaswolk zijn vertraagd. Ook kan een langsvliegend zwaar object de pulsar aan het wiebelen hebben gebracht. Je hebt dus pas bewijs voor de GWB wanneer meerdere uiteenliggende pulsars dezelfde afwijking vertonen. Dan is het net alsof meerdere silent-discogangers op dezelfde maat dansen.
Zee van golven
De astronomen denken nu zo’n gezamenlijke afwijking te hebben gevonden. Ze stellen dat ze nog geen definitief bewijs hebben voor de GWB, maar dat ze daar wel dichterbij zijn dan ooit. ‘Deze verleidelijke eerste tekenen van de GWB wijzen erop dat we dobberen in een zee van zwaartekrachtsgolven, die voortkabbelt dankzij samensmeltende superzware zwarte gaten in sterrenstelsels dwars door het heelal’, zegt Julie Comerford, teamlid van NANOGrav.
Zwaartekrachtsgolfonderzoeker Chris van den Broeck (Universiteit Utrecht en fysica-instituut Nikhef) is voorzichtig optimistisch over het resultaat. ‘Het signaal is consistent met de achtergrondstraling die je verwacht van de combinatie van alle zwaartekrachtsgolfsignalen van dubbele superzware zwarte gaten, verspreid over het hele zichtbare heelal’, zegt hij. ‘Maar het kan ook nog steeds een statistische fluctuatie zijn. Verdere metingen zijn dus nodig.’
Simon verwacht dat zijn team ongeveer een jaar nodig heeft om genoeg aanvullende pulsargegevens te verzamelen. Ook Van den Broeck acht het slechts een kwestie van tijd tot het bestaan van de GWB definitief is bewezen. ‘Sterker nog, een paar jaar geleden waren er astrofysici die zich erover verbaasden dat pulsaronderzoek nog niet zo’n achtergrond had blootgelegd. Heel wat computermodellen gaven namelijk aan dat dit al had moeten zijn gebeurd’, zegt hij.
Duistere giganten
LIGO en Virgo meten zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten die enkele tientallen keren zo zwaar zijn als de zon. De GWB komt voort uit samensmeltende zwarte gaten van miljoenen tot zelfs miljarden zonsmassa’s. Als astronomen die achtergrondstraling daadwerkelijk kunnen meten, geeft dat nieuw inzicht in dit soort duistere giganten.
‘Dan krijg je een beeld van hoeveel dubbele superzware zwarte gaten er zijn in het heelal, en mogelijk van wat de verdeling is van hun massa’s’, zegt Van den Broeck. ‘Daarnaast is het nog steeds een beetje een raadsel hoe superzware zwarte gaten ontstaan. Dit soort metingen zouden ons weer een stap verder brengen in het oplossen daarvan.’
De resultaten van het NANOGrav-onderzoek zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.
