Meer dan een miljard jaar geleden, in een sterrenstelsel ver, ver weg, voerden twee zwarte gaten de laatste stappen uit in een snelvoetige pas de deux, eindigend met een laatste omhelzing die zo gewelddadig was dat deze meer energie vrijmaakte dan de gecombineerde output van elke ster in elke melkweg in het waarneembare universum. Maar in tegenstelling tot sterrenlicht was de energie donker, gedragen door de onzichtbare zwaartekracht. Op 14 september 2015, om 05:51 uur Eastern Daylight Time, bereikte een fragment van die energie, in de vorm van een "zwaartekrachtgolf" de Aarde, gereduceerd door zijn enorme doorgang door ruimte en tijd tot een fluistering van zijn donderende begin.
Gerelateerde lezingen
Het elegante universum
KopenVoor zover we weten, is de aarde al eerder gebaad in dit soort zwaartekrachtverstoring. Vaak. Het verschil is deze keer dat twee verbazingwekkend nauwkeurige detectoren, één in Livingston, Louisiana, en de andere in Hanford, Washington, gereed stonden. Toen de zwaartekrachtgolf voorbij rolde, kietelde het de detectoren, wat de onmiskenbare handtekening van botsende zwarte gaten aan de andere kant van het universum opleverde en het begin markeerde van een nieuw hoofdstuk in de verkenning van de kosmos door de mensheid.
Toen in januari de geruchten over de ontdekking begonnen te circuleren, rolde ik met mijn ogen naar wat duidelijk een vals alarm was of een truc om een beetje gezoem op te wekken. Als onderzoeksprogramma tot ver in het vijfde decennium was de jacht op zwaartekrachtgolven al lang de belangrijkste ontdekking die altijd aan de horizon zweefde. Natuurkundigen hadden zich neergelegd bij het wachten op hun zwaartekracht Godot.
Maar menselijke vindingrijkheid en doorzettingsvermogen hebben gezegevierd. Het is een van die overwinningen die zelfs degenen onder ons doen juichen vanaf de zijlijn rillingen.
Hier is het verhaal, kort samengevat.
Afgelopen november vierde de wereld het eeuwfeest van Einsteins grootste ontdekking, de algemene relativiteitstheorie, die een nieuw paradigma onthulde voor het begrijpen van de zwaartekracht. De benadering van Isaac Newton voorspelt correct de zwaartekracht tussen twee objecten, maar geeft geen inzicht in hoe iets hier door de lege ruimte kan reiken en daar iets aan kan trekken . Einstein heeft tien jaar lang geprobeerd te bepalen hoe zwaartekracht wordt gecommuniceerd en concludeerde uiteindelijk dat ruimte en tijd de onzichtbare hand vormen die het bieden van zwaartekracht doet.
Abonneer je nu op het Smithsonian magazine voor slechts $ 12
Dit verhaal is een selectie uit het aprilnummer van Smithsonian magazine
KopenDe gekozen metafoor, te veel gebruikt maar suggestief, is om ruimte als een trampoline te beschouwen. Plaats een bowlingbal in het midden van de trampoline waardoor deze kromt, en een knikker wordt een duwtje gegeven om langs een gebogen traject te reizen. Evenzo beweerde Einstein dat in de buurt van een astronomisch lichaam als de Zon, de ruimtetijd-omgeving kromt, wat verklaart waarom de Aarde, net als het marmer, een gebogen traject volgt. Tegen 1919 bevestigden astronomische waarnemingen dit opmerkelijke visioen en maakten Einstein Einstein.
Einstein duwde zijn gedenkwaardige ontdekking verder. Tot op dat moment had hij zich gericht op statische situaties: het bepalen van de vaste vorm van een gebied van ruimtetijd dat voortvloeit uit een bepaalde hoeveelheid materie. Maar Einstein wendde zich toen tot dynamische situaties: wat zou er gebeuren met de ruimtetijdstof als materie zou bewegen en schudden? Hij realiseerde zich dat, net zoals kinderen die op een trampoline springen, golven in het oppervlak opwekken die naar buiten rimpelen, materie die op deze manier beweegt en die golven in het weefsel van ruimtetijd genereert die ook naar buiten rimpelen. En omdat, volgens de algemene relativiteitstheorie, gebogen ruimtetijd zwaartekracht is, is een golf van gebogen ruimtetijd een zwaartekrachtgolf.
Zwaartekrachtgolven vertegenwoordigen de belangrijkste afwijking van de algemene relativiteitstheorie van de zwaartekracht van Newton. Flexibele ruimtetijd is zeker een diepgaande herschikking van de zwaartekracht, maar in bekende contexten zoals de zwaartekracht van de zon of de aarde, verschillen Einsteins voorspellingen nauwelijks van die van Newton. Omdat Newtoniaanse zwaartekracht echter zwijgt over de manier waarop zwaartekracht wordt overgedragen, hoort het idee van reizende zwaartekrachtstoornissen niet thuis in de theorie van Newton.
Einstein zelf had twijfels over zijn voorspelling van zwaartekrachtsgolven. Wanneer je voor het eerst de subtiele vergelijkingen van algemene relativiteit tegenkomt, is het een uitdaging om abstracte wiskunde te ontwarren van meetbare fysica. Einstein was de eerste die deze strijd voerde, en er waren kenmerken die zelfs hij, de cynosuur van de relativiteitstheorie, niet volledig begreep. Maar in de jaren 1960, wetenschappers met behulp van meer verfijnde wiskundige methoden vastgesteld zonder enige twijfel dat zwaartekrachtgolven een onderscheidend kenmerk van de algemene relativiteitstheorie waren.
Een illustratie van zwaartekrachtsgolven (John Hersey) Hoe kon deze iconische voorspelling dan worden getest? In 1974 ontdekten Joseph Taylor en Russell Hulse met behulp van de Arecibo-radiotelescoop een binaire pulsar: twee rondgaande neutronensterren waarvan de omlooptijd met grote precisie kon worden gevolgd. Volgens de algemene relativiteitstheorie genereren de draaiende sterren een gestage mars van zwaartekrachtsgolven die energie afvoeren, waardoor de sterren dichter bij elkaar vallen en sneller draaien. Waarnemingen bevestigden deze voorspelling voor een T, hetgeen bewijs levert, zij het indirect, dat zwaartekrachtgolven reëel zijn. Hulse en Taylor ontvingen de Nobelprijs voor 1993.
De prestatie maakte alleen de directe detectie van zwaartekrachtgolven des te aantrekkelijker. Maar de taak was ontmoedigend. Berekeningen laten zien dat wanneer een zwaartekrachtgolf door de ruimte golft, alles op zijn pad afwisselend wordt uitgerekt en samengedrukt langs de assen loodrecht op de bewegingsrichting van de golf. Een zwaartekrachtgolf recht naar de Verenigde Staten zou afwisselend de ruimte tussen New York en Californië, en die tussen Texas en Noord-Dakota, uitrekken en samenknijpen. Door dergelijke afstanden nauwkeurig te volgen, zouden we dus in staat moeten zijn om het passeren van de golf te lokaliseren.
De uitdaging is dat, net zoals een rimpel in een vijver sterft naarmate hij zich verspreidt, een zwaartekrachtrimpeling verdunt als hij van zijn bron reist. Omdat grote kosmische botsingen meestal heel ver van ons gebeuren (gelukkig), tegen de tijd dat de zwaartekrachtgolven de aarde bereiken, is de hoeveelheid uitrekken en knijpen die ze veroorzaken klein - minder dan een atoomdiameter. Het detecteren van dergelijke veranderingen is vergelijkbaar met het meten van de afstand van de aarde tot de dichtstbijzijnde ster voorbij het zonnestelsel met een nauwkeurigheid beter dan de dikte van een vel papier.
De eerste poging, ontwikkeld door Joseph Weber van de Universiteit van Maryland in de jaren zestig, maakte gebruik van massieve aluminium cilinders van meerdere ton, in de hoop dat ze zacht zouden resoneren als gigantische stemvorken in reactie op een passerende zwaartekrachtgolf. Aan het begin van de jaren zeventig claimde Weber succes. Hij meldde dat zwaartekrachtgolven bijna dagelijks zijn detector rinkelden. Deze gedenkwaardige prestatie inspireerde anderen om de beweringen van Weber te bevestigen, maar na jaren van proberen kon niemand zelfs maar één golf vangen.
Webers vasthoudend geloof in zijn resultaten, lang nadat het verzamelde bewijsmateriaal anders suggereerde, droeg bij aan een perspectief dat het veld decennia lang heeft gekleurd. Door de jaren heen geloofden veel wetenschappers, net als Einstein, dat zelfs als zwaartekrachtgolven echt waren, ze gewoon te zwak zouden zijn om ooit te worden gedetecteerd. Degenen die erop uit waren om ze te vinden, deden een dwaas, en degenen die geloofden dat beweringen van detectie werden voor de gek gehouden.
In de jaren zeventig wisten de enkelingen die nog steeds de zwaartekrachtgolf hadden, een veelbelovend detectieschema waarin lasers zouden worden gebruikt om de lengtes van twee lange identieke tunnels te vergelijken die op 90 graden ten opzichte van elkaar waren georiënteerd. Een passerende zwaartekrachtgolf zou de ene tunnel rekken terwijl de andere wordt samengedrukt, waardoor de afstanden die worden afgelegd door laserstralen die langs elkaar worden afgevuurd enigszins worden gewijzigd. Wanneer de twee laserstralen vervolgens opnieuw worden gecombineerd, is het resulterende patroon dat het licht vormt gevoelig voor kleine verschillen in hoe ver elke straal is afgelegd. Als een zwaartekrachtgolf voorbij rolt, zou zelfs de minuscule verstoring die het veroorzaakt een gemodificeerd laserpatroon achterlaten.
Het is een mooi idee. Maar nabijgelegen jackhammers, rommelende vrachtwagens, windstoten of vallende bomen kunnen zo'n experiment verstoren. Bij het zoeken naar lengteverschillen van minder dan een miljardste van een miljardste meter, wordt de mogelijkheid om het apparaat te beschermen tegen elke mogelijke agitatie in de omgeving, hoe gering ook, van het grootste belang. Met die schijnbaar onoverkomelijke eis kregen de nee-zeggers nog meer munitie. Het vangen van een zwaartekrachtgolf zou Horton een Who maken, zelfs over het gebrul van de metro van New York, louter kinderspel.
Desondanks droomden de Amerikaanse natuurkundigen Kip Thorne en Rainer Weiss, later vergezeld door de Schotse natuurkundige Ronald Drever, van het bouwen van een lasergebaseerde zwaartekrachtgolfdetector en zetten ze de wielen in beweging om die droom waar te maken.
In 2002, na een paar decennia van onderzoek en ontwikkeling en meer dan $ 250 miljoen investeringen van de National Science Foundation, werden twee wetenschappelijke en technologische wonderen die deel uitmaken van LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ingezet in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington. Vier kilometer lange geëvacueerde tunnels in de vorm van een gigantische letter "L" zouden een laserstraal van ongeveer 50.000 keer krachtiger bevatten dan een standaard laserpointer. Het laserlicht stuitert heen en weer tussen 's werelds gladste spiegels, geplaatst aan tegenovergestelde uiteinden van elke arm, op zoek naar een kleine mismatch in de tijd die nodig is om de reis te voltooien.
De onderzoekers wachtten. En wachtte. Maar na acht jaar niets. Teleurstellend, zeker, maar zoals de onderzoeksteams betoogden, niet verrassend. Berekeningen hadden aangetoond dat LIGO nauwelijks de gevoeligheidsdrempel had die nodig was om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Dus in 2010 werd LIGO afgesloten voor verschillende upgrades, voor een bedrag van meer dan $ 200 miljoen, en in de herfst van 2015 werd een verbeterde LIGO, vele malen gevoeliger, ingeschakeld. Schokkend, minder dan twee dagen later, rammelde een plotselinge rilling de detector in Louisiana en zeven milliseconden later trilde de detector in Washington op vrijwel precies dezelfde manier. Het patroon van de delicate trillingen kwam overeen met wat computersimulaties voorspelden voor zwaartekrachtsgolven die zouden worden geproduceerd door de laatste klappen van zwarte gaten die tegen elkaar botsen.
Een vriend van mij aan de binnenkant, gezworen tot geheimhouding maar bereid om een niet-zo-subtiele hint te geven, vertelde me: "Stel je eens voor dat onze wildste droom is uitgekomen." Maar het was het raken van de zwaartekracht-golf-jackpot dat gaf de onderzoekers pauze. Het was bijna te perfect.
Het LIGO-apparaat is afhankelijk van nauwkeurig ontworpen - en perfect schone - spiegels. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Met een paar maanden van intense, ijverige inspanning om alle andere verklaringen, hoe onwaarschijnlijk ook, zorgvuldig te onderzoeken, bleef er maar één conclusie over. Het signaal was echt. Een eeuw nadat Einstein hun bestaan had voorspeld, werd de eerste directe detectie van zwaartekrachtgolven gevierd door de meer dan 1.000 wetenschappers die aan het LIGO-experiment werkten. Ze hadden het tijdelijke gemompel van een zwaartekracht tsunami opgevangen die meer dan een miljard jaar geleden werd ontketend, het overblijfsel van een donkere fusie ergens in de diepe zuidelijke hemel.
De officiële persaankondiging op 11 februari in Washington, DC was elektrisch. Bij mijn eigen instelling, Columbia University, moesten we de livestream van de procedure verplaatsen naar een van de grootste locaties op de campus, en soortgelijke verhalen speelden zich af op universiteiten over de hele wereld. Heel kort bleven zwaartekrachtsgolven presidentiële voorspelling overtreffen.
De opwinding was gerechtvaardigd. De geschiedenis zal terugkijken op de ontdekking als een van de weinige buigpunten die de loop van de wetenschap veranderen. Sinds de eerste mens naar de hemel keek, hebben we het universum verkend met behulp van lichtgolven. De telescoop verbeterde dit vermogen aanzienlijk, en daarmee kwamen we de pracht van nieuwe kosmische landschappen tegen. In de 20e eeuw hebben we de soorten lichtsignalen die we detecteren verbreed - infrarood, radio, ultraviolet, gamma en röntgenstralen - alle vormen van licht, maar met golflengten buiten het bereik dat we met het blote oog kunnen zien. En met deze nieuwe sondes werd het kosmische landschap nog rijker.
Zwaartekrachtgolven zijn een heel ander soort kosmische sonde, met het potentieel om nog dramatischere gevolgen te hebben. Licht kan worden geblokkeerd. Een ondoorzichtig materiaal, zoals een raamschaduw, kan zichtbaar licht blokkeren. Een metalen kooi kan radiogolven blokkeren. De zwaartekracht gaat daarentegen door alles heen, vrijwel onveranderd.
En dus, met zwaartekrachtgolven als onze sonde, zullen we rijken kunnen onderzoeken die niet aan licht gebonden zijn, zoals de chaotische ruimtetijd klauteren als twee zwarte gaten botsen of misschien het wilde gerommel van de oerknal zelf, 13, 8 miljard jaar geleden. De observatie heeft al het idee bevestigd dat zwarte gaten binaire paren kunnen vormen. Nog verleidelijker nog, misschien vinden we een donker landschap bevolkt door dingen die we ons nog niet eens kunnen voorstellen.
Als een netwerk van detectoren over de hele wereld - in Italië, Duitsland, binnenkort Japan en waarschijnlijk India - hun gegevens bundelen, hopelijk in de toekomst vergezeld door een enorme detector die in de ruimte werkt, zal ons vermogen om de kosmos te onderzoeken nog een gigantische sprong nemen vooruit. Dat is volkomen opwindend. Er is niets inspirerender dan ons vermogen, te midden van onze altijd aanwezige aardse worstelingen, om op te kijken, ons af te vragen en de vindingrijkheid en toewijding te hebben om een beetje verder te kijken.
**********
