In de meeste gevallen is het detecteren van de effecten van zwaartekracht niet zo moeilijk. Parachutisten rennen naar de grond op het moment dat ze uit een vliegtuig stappen, en dankzij ruimtetelescopen zie je dat licht in verbluffende ringen wordt gebogen door massieve groepen van sterrenstelsels. Maar het is bijzonder moeilijk gebleken om zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in ruimtetijd te detecteren die worden veroorzaakt door een krachtige kosmische gebeurtenis.
gerelateerde inhoud
- Deze Spacey-traktaties omvatten een galactisch smileygezicht en een interstellaire roos
- Nee, we hebben zwaartekrachtgolven (nog) niet gedetecteerd
De meeste pogingen tot nu toe hebben gezocht naar de manier waarop ruimtetijd-rimpelingen naar verwachting licht en materie beïnvloeden. Nu denken wetenschappers in de VS en Israël dat we de golven sneller en goedkoper zouden kunnen vinden als we kijken naar hun effecten op tijd in plaats van op ruimte.
De jacht op zwaartekrachtsgolven bestaat al sinds 1916, toen Albert Einstein voorspelde dat ze zouden moeten bestaan als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie. Hij beweerde dat ruimte-tijd als een stof is, en wat we als zwaartekracht voelen, is een kromming in die stof veroorzaakt door massieve objecten. Als een bowlingbal die bijvoorbeeld in een deken is opgehangen, buigt onze massieve planeet Aarde er ruimte-tijd omheen.
De theorie suggereert ook dat wanneer zeer massieve objecten zoals zwarte gaten samensmelten, de zwaartekrachtgolf rimpelingen zal sturen die zich door ruimte-tijd naar buiten voortplanten. Het detecteren van hen zou niet alleen de theorie van Einstein blijven valideren, het zou een nieuw venster op het universum openen, omdat wetenschappers zwaartekrachtgolven konden gebruiken om anders onzichtbare gebeurtenissen in de kosmos te onderzoeken. Maar het bewijs van zwaartekrachtgolven is ongrijpbaar, grotendeels omdat de golven zwakker worden naarmate ze verder reizen, en vele zwaartekrachtgolfbronnen worden gevonden aan de rand van het universum, miljarden lichtjaren verwijderd.
Vorig jaar beweerde een experiment met de naam BICEP2 dat het zwakke signalen had gedetecteerd die verband hielden met een soort primaire zwaartekrachtgolf, geproduceerd door een plotselinge groeispurt in het vroege universum. De claim was echter voorbarig, omdat latere analyses het vertrouwen verminderden dat het BICEP2-team iets meer zag dan wervelend stof in de Melkweg.
Het geplande eLISA-observatorium van het Europees Ruimteagentschap, dat wordt gelanceerd in 2034, is ontworpen om een ander soort golf te detecteren: millihertz-bereik of laagfrequente, zwaartekrachtgolven die worden gegenereerd door de fusie van superzware zwarte gatenparen. Wetenschappers hebben superzware zwarte gaten ontdekt in de centra van veel grote sterrenstelsels, waaronder die van onszelf. Er wordt voorspeld dat de coalescentie van twee van dergelijke sterrenstelsels zwaartekrachtgolven uitzendt die zich over het universum kunnen voortplanten. Om ze te vinden, zal eLISA lasers gebruiken om kleine veranderingen in de afstand van een ruimtevaartuigvloot te meten die zou moeten gebeuren wanneer een zwaartekrachtgolf voorbij komt.
In een nieuw artikel wijzen Avi Loeb van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Dani Maoz aan de Universiteit van Tel Aviv erop dat recente ontwikkelingen in de tijdmeting atoomklokken in staat zouden kunnen stellen om zwaartekrachtgolven sneller en goedkoper te detecteren dan eLISA. Ze schetsen een voorstel voor een reeks atoomklokken die op verschillende punten rond de zon zijn gestationeerd en die een fenomeen genaamd tijdsdilatatie kunnen detecteren, wanneer zwaartekrachteffecten de tijd kunnen vertragen.
Net als eLISA vereist hun plan ook ruimtevaartuigen die in formatie vliegen en communiceren met behulp van lasers. Maar in plaats van informatie over veranderingen in afstand door te geven, houden de lasers kleine afwijkingen bij in de tijdregistratie tussen gesynchroniseerde atoomklokken die aan boord van het ruimtevaartuig zijn geïnstalleerd.
De voorspelde tijdelijke veranderingen zijn klein: "We hebben het over een deel van een miljoen triljoen timing precisie", zegt Loeb. "Om dat soort verandering te detecteren, heb je een klok nodig die niet slechts een tiende van een seconde wint of verliest, zelfs als deze 4, 5 miljard jaar zou werken, of de hele leeftijd van de aarde."
Tot voor kort ging dit soort nauwkeurigheid het vermogen van atoomklokken met het element cesium te boven, die de basis vormen voor de huidige internationale standaard van tijdwaarneming. Maar begin 2014 hebben natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een experimentele atoomklok 'optisch rooster' onthuld die nieuwe wereldrecords vestigde voor zowel precisie als stabiliteit. Deze klokken werken op optische frequenties en bieden dus een grotere nauwkeurigheid dan atoomklokken van cesium, die afhankelijk zijn van microgolven om de tijd bij te houden.
In theorie kunnen optische atoomklokken de benodigde precisie bieden om de kleine tijdverschuivingen te detecteren die worden voorspeld door zwaartekrachtsgolven. Loeb en Maoz beweren dat hun ontwerp eenvoudiger zou zijn en zou kunnen worden gerealiseerd voor minder kosten, omdat het minder krachtige lasers zou vereisen dan eLISA. Atomische klokken van lagere precisie worden al gebruikt op GPS-satellieten, dus Loeb denkt dat het mogelijk moet zijn om de nieuwe generatie atoomklokken ook de ruimte in te sturen.
Twee ruimtevaartuigen die op de juiste afstand van elkaar werden geplaatst, konden zowel de piek als de trog van een passerende zwaartekrachtsgolf waarnemen. (Loeb et al., Arxiv.org) De beste opstelling zou een paar atoomklokken zijn die zijn geïnstalleerd op twee ruimteschepen die de baan van de aarde rond de zon delen. Een hoofdruimtevaartuig zou ook in een baan om de signalen van de klokken te coördineren. Het klokdragende vaartuig moet worden gescheiden door ongeveer 93 miljoen mijl - ongeveer de afstand tussen de aarde en de zon, of een astronomische eenheid (AU).
"Dat is een mooi toeval, omdat één AU toevallig ongeveer gelijk is aan een halve golflengte voor een zwaartekrachtgolf met [lage frequentie], zoals het soort wetenschappers denken dat het samenvoegen van superzware zwarte gaten uitzenden, " zegt Loeb. Met andere woorden, dat zou precies de juiste afstand zijn om zowel de piek als de trog van een zwaartekrachtgolf die door het zonnestelsel passeert, waar te nemen, dus atoomklokken die op deze twee punten zijn geplaatst, zouden de grootste tijdsverwijderingseffecten ervaren.
Voorlopig staat zo'n missie niet op een werkbank van een ruimteagentschap of budgetvoorstel. Maar Loeb hoopt dat het idee zal leiden tot een zorgvuldiger onderzoek naar eLISA-alternatieven. Het eLISA-project "profiteerde van tientallen jaren discussie, dus we moeten toestaan dat dit alternatieve ontwerp ten minste een paar maanden wordt bestudeerd voordat het wordt afgewezen."
Loeb voegt eraan toe dat er talloze praktische toepassingen zijn, zoals nauwkeurigere atoomklokken in de ruimte, zoals een betere GPS-nauwkeurigheid en verbeterde communicatie. Hij denkt dat de eerste optische roosterklokken door bedrijven kunnen worden gelanceerd voor commerciële doeleinden, in plaats van door overheidsinstanties. "Als dat gebeurt, zou elke wetenschap die we eruit halen een bijproduct zijn, " zegt hij.
Jun Ye, een natuurkundige aan de Universiteit van Colorado en een NIST-fellow, zegt dat het voorstel van Loeb en Maoz "een nieuw intellectueel front opent" over het gebruik van optische atoomklokken om fundamentele fysica te testen, inclusief het zoeken naar zwaartekrachtsgolven. "Ik ben optimistisch over de verdere verbetering van optische klokken en hun uiteindelijke gebruik in dergelijke toepassingen", zegt Ye.
