Als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie voorspelde Einstein dat massa zwaartekrachtgolven zou moeten uitzenden. Het moet de krachtigste zwaartekrachtgolven kunnen detecteren terwijl ze door de aarde gaan. En een op de ruimte gebaseerd observatorium dat gepland staat voor lancering in 2015, LISA genaamd, zou nog sterker moeten zijn.
Wetenschappers zijn dicht bij het zien van gravitatiegolven. Afbeelding tegoed: NASA
Zwaartekracht is een bekende kracht. Het is de reden voor hoogtevrees. Het houdt de maan tegen de aarde, de aarde tegen de zon. Het voorkomt dat bier uit onze glazen drijft.
Maar hoe? Zendt de aarde geheime berichten naar de maan?
Nou ja, min of meer.
Eanna Flanagan, Cornell universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie, heeft zijn leven gewijd aan het begrijpen van de zwaartekracht sinds hij studeerde aan het University College Dublin in zijn geboorteland Ierland. Nu, bijna twee decennia nadat hij Ierland had verlaten om te studeren voor zijn doctoraat onder de beroemde relativist Kip Thorne aan het California Institute of Technology, richt zijn werk zich op het voorspellen van de grootte en vorm van zwaartekrachtgolven - een ongrijpbaar fenomeen dat wordt voorspeld door Einstein's Theorie van Algemene Relativiteit in 1916 maar die nooit direct zijn gedetecteerd.
In 1974 maten de astronomen van Princeton University Russell Hulse en Joseph H. Taylor Jr. indirect de invloed van zwaartekrachtsgolven op samenwerkende neutronensterren, een ontdekking die hen in 1993 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde. Dankzij het recente werk van Flanagan en zijn collega's staan wetenschappers nu op het punt de eerste zwaartekrachtgolven direct te zien.
Geluid kan niet bestaan in een vacuüm. Het heeft een medium nodig, zoals lucht of water, om zijn boodschap over te brengen. Evenzo kan zwaartekracht niet bestaan in het niets. Ook zij heeft een medium nodig om haar boodschap over te brengen. Einstein theoretiseerde dat dat medium ruimte en tijd is, of het 'ruimtetijd-weefsel'.
Drukveranderingen - een dreun op een trommel, een trillend stemband - produceren geluidsgolven, rimpelingen in de lucht. Volgens de theorie van Einstein veroorzaken massaveranderingen - de botsing van twee sterren, stof dat op een boekenplank landt - zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de ruimtetijd.
Omdat de meeste alledaagse objecten massa hebben, zouden zwaartekrachtgolven overal om ons heen moeten zijn. Dus waarom kunnen we er geen vinden?
"De sterkste zwaartekrachtgolven zullen meetbare storingen op aarde veroorzaken die 1000 keer kleiner zijn dan een atoomkern", legt Flanagan uit. "Ze detecteren is een enorme technische uitdaging."
Het antwoord op die uitdaging is LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, een kolossaal experiment met een samenwerking van meer dan 300 wetenschappers.
LIGO bestaat uit twee installaties die bijna 2.000 mijl van elkaar verwijderd zijn - een in Hanford, Washington en een in Livingston, La. Elke faciliteit heeft de vorm van een gigantische "L", met twee 2,5 mijl lange armen gemaakt van 4 voet diameter vacuümbuizen omhuld met beton. Ultrastabiele laserstralen passeren de buizen en stuiteren tussen spiegels aan het einde van elke arm. Wetenschappers verwachten dat een passerende zwaartekrachtgolf de ene arm uitrekt en in de andere knijpt, waardoor de twee lasers iets verschillende afstanden afleggen.
Het verschil kan dan worden gemeten door de lasers te "interfereren" waar de armen elkaar kruisen. Het is vergelijkbaar met twee auto's die loodrecht op een kruispunt rijden. Als ze dezelfde snelheid en afstand afleggen, zullen ze altijd crashen. Maar als de afstanden verschillen, missen ze misschien. Flanagan en zijn collega's hopen op een misser.
Bovendien geeft precies hoeveel de lasers raken of missen informatie over de kenmerken en oorsprong van de zwaartekrachtgolf. Het is de taak van Flanagan om deze kenmerken te voorspellen, zodat zijn collega's bij LIGO weten waarnaar ze moeten zoeken.
Vanwege technologische beperkingen kan LIGO alleen zwaartekrachtsgolven van bepaalde frequenties van krachtige bronnen waarnemen, waaronder supernova-explosies in de Melkweg en snel ronddraaiende of samen ronddraaiende neutronensterren in de Melkweg of verre melkwegstelsels.
Om potentiële bronnen uit te breiden, plannen NASA en de European Space Agency al LIGO's opvolger, LISA, de Laser Interferometer Space Antenna. LISA is qua concept vergelijkbaar met LIGO, behalve dat de lasers zullen stuiteren tussen drie satellieten die 3 miljoen mijl van elkaar verwijderd zijn en de aarde in een baan rond de zon volgen. Hierdoor kan LISA golven detecteren met lagere frequenties dan LIGO, zoals die veroorzaakt door de botsing van een neutronenster met een zwart gat of de botsing van twee zwarte gaten. LISA staat gepland voor lancering in 2015.
Flanagan en medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology hebben onlangs de gravitatiegolfhandtekening ontcijferd die ontstaat wanneer een superzwaar zwart gat een neutronenster ter grootte van een zon inslikt. Het is een handtekening die LISA belangrijk zal vinden om te herkennen.
'Als LISA vliegt, zouden we honderden van deze dingen moeten zien', merkte Flanagan op. 'We zullen kunnen meten hoe ruimte en tijd worden vervormd en hoe ruimte door een zwart gat moet worden verdraaid. We zien elektromagnetische straling en we denken dat het waarschijnlijk een zwart gat is, maar dat is ongeveer zo ver als we hebben. Het zal heel spannend zijn om eindelijk te zien dat relativiteit echt werkt. ”
Maar, waarschuwde hij: 'Het werkt misschien niet. Astronomen stellen vast dat de uitdijing van het heelal versnelt. Een verklaring is dat de algemene relativiteitstheorie moet worden aangepast: Einstein had meestal gelijk, maar in sommige regimes kon het anders werken. '
Thomas Oberst is wetenschappelijk stagiair bij de Cornell News Service.
Oorspronkelijke bron: Cornell University
