Wetenschappers hebben voor het eerst de aria van de zwaartekracht gehoord.
gerelateerde inhoud
- Vijf dingen om te weten over zwaartekrachtgolven
- Zeven eenvoudige manieren waarop we weten dat Einstein gelijk had (voorlopig)
Terwijl twee zwarte gaten naar elkaar toe spiraalden en samenvloeiden, creëerden ze rimpelingen in het weefsel van de kosmos in precies de vorm die fysici al een eeuw hebben voorspeld: zwaartekrachtsgolven. Vandaag onthuld tijdens een reeks internationale persconferenties, effent het signaal de weg voor een geheel nieuw begrip van het universum.
"Dit is de eerste keer dat het universum tot ons spreekt door zwaartekrachtsgolven. Tot nu toe zijn we doof geweest", zei LIGO laboratoriumdirecteur David Reitze van de Universiteit van Florida vandaag op een persevenement in Washington, DC
Aan de basis van zwaartekrachtgolven ligt de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein, die zegt dat alles met massa het weefsel van ruimte-tijd kromtrekt. Wanneer massieve objecten bewegen, creëren ze vervormingen in het kosmische weefsel en genereren ze zwaartekrachtsgolven. Deze golven golven door het universum als geluidsgolven die door de lucht pulseren.
De theorie van Einstein voorspelt dat het universum wemelt van zwaartekrachtsgolven, maar tot nu toe hadden we ze niet kunnen detecteren, deels omdat de golven uitzonderlijk zwak zijn. Maar zelfs voordat zijn opgewaardeerde instrumenten vorig jaar officieel online kwamen, ving de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) een duidelijk signaal op van de krachtige botsing van twee zwarte gaten op 1, 3 miljard lichtjaar afstand.
"Het is verbazingwekkend om een zwaartekrachtsignaal te laten detecteren terwijl LIGO nog steeds niet in de buurt van ontwerpgevoeligheid is bij de eerste wetenschappelijke run, het is adembenemend, " zegt Joan Centrella, die leiding gaf aan het Gravitational Astrophysics Laboratory bij de Goddard Space Flight van NASA Centreer voordat u adjunct-directeur werd van de Astrophysics Science Division in Goddard.
Die opwinding golfde door LIGO's Livingston, Louisiana, observatorium en door de rest van de wereld toen het team hun aankondiging deed. Bijna alles wat astronomen hebben geleerd over de kosmos is afkomstig van verschillende vormen van licht, zoals zichtbaar, radiogolven en röntgenstralen. Maar net zoals seismische golven verborgen structuren diep in de aarde kunnen onthullen, dragen zwaartekrachtgolven informatie met zich mee over verborgen eigenschappen van het universum die zelfs licht niet kan onthullen.
"We begonnen met een risicovolle baan met een zeer hoog potentieel rendement, " zei Kip Thorne, een mede-oprichter van LIGO en een zwaartekrachtfysicus aan het California Institute of Technology, tijdens het persevenement. "En we zijn hier vandaag met een grote triomf - een hele nieuwe manier om het universum te observeren."
Vroege aanwijzingen
De jacht op zwaartekrachtgolven begon een eeuw geleden met de publicatie van Einsteins algemene relativiteitstheorie. In het midden van de jaren zeventig verzamelden natuurkundigen Russell A. Hulse en Joseph H. Taylor, Jr. buitengewoon overtuigend bewijs dat deze rimpelingen bestaan. Ze maten de tijd die het kostte om twee dichte neutronensterren - de verpletterde kernen van eens massieve sterren - in een baan om elkaar te draaien.
Gebaseerd op het werk van Einstein, wisten ze dat deze sterren zwaartekrachtenergie zouden moeten uitstralen terwijl ze ronddraaien, en die verloren energie zou ervoor moeten zorgen dat ze naar elkaar toe spiraalsgewijs bewegen. Na het bestuderen van de twee sterren voor de komende paar jaar, zagen ze dat de baan daalde met precies het bedrag voorspeld door de algemene relativiteitstheorie.
Hoewel die bevinding het duo de Nobelprijs voor de natuurkunde van 1993 opleverde, zouden de meeste natuurkundigen het geen directe detectie van zwaartekrachtsgolven noemen.
In 2001 begon LIGO te werken op twee locaties op 1, 875 km afstand - een in Livingston, Louisiana en de andere in Hanford, Washington. Een paar jaar later kwam ook de Europese zwaartekrachttelescoop Maagd online. Beide werkten respectievelijk tot 2010 en 2011, voordat ze offline gingen voor upgrades.
Hoewel wetenschappers hadden gehoopt dat deze eerste observatoria zwaartekrachtsgolven zouden vangen, wisten ze dat het een afstandsschot was. Deze rimpelingen zijn zeer zwakke signalen en de instrumenten waren niet gevoelig genoeg om hun gefluister te horen. Maar de eerste runs dienen als tests van de technologie voor de instrumenten van de volgende generatie.
Maagd wordt nog steeds opgewaardeerd, maar het LIGO-team voltooide hun werk aan beide detectoren in 2015. Nu genaamd Advanced LIGO, luisterden de observatoria van Louisiana en Washington naar zwaartekrachtsgolven tijdens de eerste wetenschappelijke observatie tussen 18 september 2015 en 12 januari, 2016. Het vandaag aangekondigde signaal werd opgepikt net vóór die eerste officiële run, omdat het team operationele tests van de detectoren uitvoerde.
Laser precisie
Het detecteren van een golf terwijl deze door de aarde ging, vereiste veel slimme engineering, computerkracht en meer dan 1.000 wetenschappers die over de hele wereld werkten.
Binnen elk L-vormig LIGO-observatorium bevindt zich een laser op het ontmoetingspunt van twee loodrechte buizen. De laser passeert een instrument dat het licht splitst, zodat twee stralen de ruwweg 2, 5 mijl langs elke buis afleggen. Spiegels aan de uiteinden van de buizen reflecteren het licht terug naar de bron, waar een detector wacht.
Meestal landt er geen licht op de detector. Maar wanneer een zwaartekrachtgolf passeert, moet deze de ruimtetijd in een voorspelbaar patroon rekken en squishen, waarbij de lengtes van de buizen effectief worden gewijzigd met een kleine hoeveelheid - in de orde van een duizendste van de diameter van een proton. Dan zal er wat licht op de detector landen.
Om de ongelooflijk kleine verandering te verklaren, zijn de spiegels van het instrument bevestigd aan complexe systemen die ze van de meeste trillingen isoleren. LIGO-wetenschappers hebben ook speciale computerprogramma's die door verschillende soorten achtergrondruis kunnen filteren, zoals incidentele trillingen, en bepalen of een binnenkomend signaal overeenkomt met mogelijke astronomische bronnen die zijn berekend met algemene relativiteitstheorie.
De sites in Louisiana en Washington werken samen om een waarneming te verifiëren. "We geloven niet dat we een zwaartekrachtgolf zien, tenzij beide detectoren hetzelfde signaal zien binnen de tijd die de zwaartekrachtgolf nodig heeft om tussen de twee locaties te reizen", zegt LIGO-teamlid Amber Stuver van de Louisiana State University. In dit geval ging de golf door de aarde en raakte de twee detectoren slechts zeven milliseconden uit elkaar.
Zodra de sites in Louisiana en Washington een mogelijk zwaartekrachtstempel ontdekken, gaan wetenschappers aan de slag met de analyse. LIGO nam dit signaal op 14 september op, maar kan nu pas met grote zekerheid zeggen dat ze zwaartekrachtsgolven hebben gezien.
"Het kostte ons maanden van zorgvuldig controleren, opnieuw controleren, analyseren en werken met elk stukje gegevens om zeker te zijn van de waarneming", zei Reitze tijdens het DC-evenement. "En we hebben onszelf ervan overtuigd dat dit het geval is." De resultaten verschijnen deze week in Physical Review Letters .
Een luchtfoto van de LIGO-detector in Livingston, Louisiana. (LIGO-laboratorium) Het zwaartekrachtsignaal dat astronomen uit de meest recente waarnemingen haalden, kwam overeen met wat ze verwachtten voor twee zwarte gaten die naar elkaar toe spiraalden. De dans zendt zwaartekrachtgolven uit met een voorspelbare frequentie en sterkte, afhankelijk van hoe ver de objecten uit elkaar liggen en van hun massa.
Naarmate ze dichterbij beginnen te dansen, krimpen de golflengtes van de zwaartekrachtgolven en bereikt hun lied hogere toonhoogtes. Wanneer de zwarte gaten dichterbij komen voor de laatste omhelzing, heeft het zwaartekrachtsignaal een laatste hoge toon, of 'tjilpen', zoals astronomen het noemen.
Het signaal van september komt mooi overeen met wat het team zou verwachten van twee zwarte gaten met massa's gelijk aan ongeveer 29 en 36 keer de massa van de zon. Die zwarte gaten sloegen tegen elkaar om een nieuw zwart gat te maken 62 keer de massa van de zon - wat 3 zonnemassa's ter waarde van zwaartekrachtenergie uitstraalt.
Verwacht het onverwachte
Met deze eerste detectie hopen astronomen dat Advanced LIGO zwaartekrachtsgolven blijft vastleggen en gegevens gaat verzamelen voor allerlei wetenschappelijke studies, van het uitzoeken hoe supernova's werken tot het leren van de eerste paar momenten van het universum. Hoewel geen andere astronomische telescoop enig teken van deze botsing met zwart gaten zag, zouden sommige van de andere bronnen waarnaar Advanced LIGO op zoek is, tegenhangers moeten hebben die zichtbaar zijn voor telescopen die licht opvangen.
Dit lijkt vooral veelbelovend, aangezien Advanced LIGO nog niet eens op zijn volledige gevoeligheid is. Dat komt de komende jaren, zegt Stuver.
Elk van deze signalen geeft astronomen wat ze nooit eerder hadden: een manier om extreme gevallen van zwaartekracht en de bewegingen van onzichtbare objecten te onderzoeken. Nog spannender, astronomen weten dat het universum ons bij elke technologische vooruitgang een manier biedt om ons te verrassen.
"Elke keer dat we op een nieuwe manier en ander soort licht hebben gekeken, ontdekken we iets dat we niet hadden verwacht te vinden", zegt Stuver. "En het is dat onverwachte dat een revolutie teweegbrengt in ons begrip van het universum." Niet lang nadat astronomen radio-antennes op de hemel hadden gericht, ontdekten ze een onverwacht type neutronenster, een pulsar genaamd. En, misschien poëtisch, was het een pulsar en neutronenster die een orbitale dans deden die Hulse en Taylor in de jaren zeventig bestudeerden.
Nu, met het begin van de zwaartekrachtgolfastronomie, hebben wetenschappers een nieuw hulpmiddel voor het bemonsteren van de kosmos. En zo te horen, staan we voor mooie muziek.
Noot van de redactie: de relatie van Joan Centrella is gecorrigeerd.
