Wat is het?
Op donderdag (11 februari) om 10.30 uur zal de National Science Foundation in Washington wetenschappers van Caltech, MIT en Scientific Collaboration van de LEU samenbrengen om de resultaten bekend te maken van de inspanningen van het Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) om zwaartekrachtgolven te detecteren .
Als resultaat van enkele zeer specifieke geruchten gericht op de mogelijke ontdekking van deze ongrijpbare rimpel in de ruimte, zijn er hoge verwachtingen dat de wetenschappelijke samenwerking van LIGO eindelijk een einde zal maken aan koortsachtig redeneren en de ontdekking van zwaartekrachtsgolven aankondigen.
Maar waarom is dit zo belangrijk? En wat zijn "zwaartekrachtsgolven"?
Gravitatiegolven zijn in hun meest algemene zin pulsaties in de ruimte. Albert Einstein veronderstelde iets meer dan 100 jaar geleden, deze pulsaties dragen zwaartekrachtenergie van de versnelling van massieve objecten in de ruimte. We kunnen zwaartekrachtgolven voorstellen als rimpelingen op het oppervlak van een vijver; gooi een kiezelsteen in het water en de golven zullen over het oppervlak van een gevallen object gaan. Zwaartekrachtgolven zijn vergelijkbaar: twee zwarte gaten (als voorbeeld), en de "rimpel" zal in de ruimte gaan en de energie van de plaats van botsing met de snelheid van het licht overbrengen. Er zijn geen bewezen waarnemingen van de aanwezigheid van gravitatiegolven, maar hun identificatie werd niet mogelijk geacht ... tot voor kort.
Wat maakt hen?
Zwarte gaten zijn de meest massieve en dichte objecten die bestaan in het universum en zijn waarschijnlijk zwaartepunten van zwaartekrachtgolven, vooral wanneer ze botsen en samenvloeien. Het samenvoegen van 9 zwarte gaten wordt beschouwd als de sleutel tot het groeimechanisme van deze zwaartekrachtreuzen. Wanneer twee sterrenstelsels samenkomen, beginnen hun centrale, zeer zware, zwarte gaten rond elkaar te draaien in een spiraal en botsen ze vervolgens, waardoor een groot zwart gat ontstaat. In dit geval ontstaan zwaartekrachtgolven uit spiraalvormige zwarte gaten voordat ze botsen. Hoe meer voorwerpen elkaar naderen, hoe sterker de zwaartekrachtenergie van de golven toeneemt, en neemt steeds meer energie van zwarte gaten naar hun botsing, rinkelend als een "bel" na hun samenvoeging. Een ander energiefomeen dat een snelle uitbarsting van gravitatiegolven genereert is supernovae . Nadat een enorme ster zonder waterstofbrandstof is, explodeert het en vormt een enorme zwaartekracht. Als gevolg van de explosie zal een pulsatie van zwaartekrachtsgolven plaatsvinden, die door de ruimte zal gaan.
Gravitatiegolven kunnen ook worden gemaakt door snel roterende objecten, maar er is één truc. Alleen asymmetrische (dat wil zeggen niet symmetrische) grote roterende objecten kunnen gravitatiegolven in een periodieke vorm uitstralen. Bijvoorbeeld, een snel roterende neutronenster met een convexe opeenhoping van substanties aan één kant van het halfrond, zal ruimte-tijd "roeren" om gravitatiegolven te creëren. Een perfect symmetrische neutronenster zal echter geen zwaartekrachtgolven creëren. De gemakkelijkste manier om dit te begrijpen is om een ovaalvormige bal te bedenken die ronddraait op het oppervlak van een zwembad; terwijl de bal draait, creëert hij grote golven op het wateroppervlak. Een ronde bal daarentegen zorgt voor subtiele rimpelingen op het oppervlak.
De oerknal veroorzaakte vermoedelijk ook een krachtige stroom zwaartekrachtgolven, aan de oorsprong van het heelal, ongeveer 14 miljard jaar geleden. Het is echter onwaarschijnlijk dat deze initiële gravitatiegolven worden gedetecteerd, omdat hun signaal te zwak is in het moderne universum. Maar er worden pogingen ondernomen om ze te detecteren in de "achtergrondgloed" van de oerknal. Zo'n project is de BICEP2-telescoop op de Zuidpool, die op zoek is naar een heel specifiek type polarisatie in de kosmische microgolfachtergrond, vermoedelijk veroorzaakt door primaire zwaartekrachtgolven. Ondanks recente aankondigingen zijn deze signalen nog niet gedetecteerd.
Hoe kunnen we ze detecteren?
In 2002 begon het Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aan een specifieke taak: de directe detectie van zwaartekrachtgolven die door ons lokale ruimtevolume gaan. Zwaartekrachtgolven worden in de ruimte doorgegeven en kunnen 's nachts en overdag in elk deel van de lucht worden gedetecteerd, door nevel, sterren en zelfs vaste planeten. Deze golven gaan theoretisch voortdurend door de ruimte en reizen absoluut vrijuit. Deze golven kunnen overal zijn, maar hun effect is verrassend zwak en LIGO is ontworpen om hun mogelijke bestaan te onderzoeken. LIGO bestaat uit twee observatiestations op een afstand van 2000 km van elkaar - een in Washington, de andere in Louisiana. Beide stations zijn identiek en hebben twee lange L-vormige tunnels. Elke tunnel is 2,5 mijl lang. De "L" -hoek bevat een verfijnd optisch laboratorium dat lasers gebruikt om kleine fluctuaties in de afstand te detecteren die worden veroorzaakt door de passage van een zwaartekrachtgolf. Door herhaaldelijk lasers langs de tunnel te stuiteren en vervolgens bundels te vergelijken, kan LIGO-apparatuur de kleinste faseverandering detecteren. Deze uiterst nauwkeurige techniek wordt interferometrie genoemd. Elke faseverandering kan een kleine kromming van de ruimtetijd betekenen - een kleine verandering in afstand, gelijk aan 1/1000 van de breedte van een proton.
Tot nu toe kon LIGO geen signalen van gravitatiegolven detecteren, maar met de upgrade naar Advanced LIGO kan de situatie veranderen.
Het hebben van twee stations is cruciaal voor Advanced LIGO. Als een station een verandering in de ruimte-tijd waarneemt, en de andere niet, kunnen wetenschappers de verspreiding van gravitatiegolven uitsluiten. Deze vals alarm kan worden veroorzaakt door trillingen van een passerende vrachtwagen of in sterke wind tijdens een storm. Alleen als twee stations dezelfde gebeurtenis registreren, wordt het bestaan van een zwaartekrachtsignaal bevestigd.
Andere terrestrische gravitatiegolfdetectoren, zoals Virgo (Italië) en GEO 600 (Duitsland), gebruiken ook interferometrie om deze kleine oscillaties van ruimtetijd vast te leggen. Onlangs werd de LISA Pathfinder-missie gelanceerd om sleuteltechnologieën te testen met behulp van de Evolution Laser Interferometer Space Antenna, de volgende generatie interferometer (eLISA), die het European Space Agency in 2034 van plan is te lanceren.
Waarom zijn ze zo belangrijk?
De bevestiging van de detectie van zwaartekrachtgolven zal de laatste samensmelting zijn van theoretische fysica en technologische ontwikkeling. Gravitatiegolven worden rechtstreeks geboren uit de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die de aard van ruimte en tijd beschrijft. Het is verrassend dat Einstein 100 jaar geleden, een jaar per jaar, zaaide voor deze verstoringen in ruimte-tijd, alleen zodat we in een eeuw tijd technologie konden ontwikkelen en proberen ze daadwerkelijk te detecteren. Hun ontdekking bevestigt een andere veronderstelling van de algemene relativiteitstheorie en helpt ons in de toekomst om antwoorden te vinden op enkele van de meest onaangename puzzels waarmee astrofysici en kosmologen worden geconfronteerd.
Directe detectie van zwaartekrachtgolven is ongetwijfeld een gebeurtenis die de Nobelprijs waardig is en de wetenschappelijke gemeenschap twijfelt er niet aan dat deze prestatie gelijk zal zijn aan de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 en mogelijk zelfs met het concept van Edwin Hubble over de uitbreiding van het universum in 1929.
Het is merkwaardig dat hij suggereerde dat verschillende kosmische verschijnselen zwaartekrachtsgolven van verschillende frequentie zullen creëren. Moderne astronomie richt zich op het gebruik van het elektromagnetische spectrum om het heelal te verkennen. Traditioneel werd het zichtbare deel van het licht van het elektromagnetische spectrum door astronomen gebruikt om planeten te openen en zelfs naar aangrenzende sterrenstelsels te kijken. Met de ontwikkeling van astronomische methoden en de modernisering van technologie begonnen astronomen golven van verschillende frequenties, zoals röntgenstralen, te bestuderen om energiegebeurtenissen rond zwarte gaten en infrarode straling te zien in de stervormende nevels.
Maar directe detectie van zwaartekrachtsgolven zal een paradigmaverschuiving zijn. Met een voldoende aantal detectors van zwaartekrachtgolven zullen we objecten en objecten kunnen 'zien' die onzichtbaar blijven voor het elektromagnetische spectrum. Twee zwarte gaten die botsen bijvoorbeeld, kunnen niet veel elektromagnetische straling veroorzaken, maar ze kunnen een enorm zwaartekrachtsignaal genereren. En, zoals elektromagnetische straling, zal de frequentie van zwaartekrachtsgolven de aard beschrijven van de verschijnselen die ze genereren. Uiteindelijk zullen we in staat zijn om een zwaartekrachtskaart van het nabije universum te maken met temporele verschijnselen, zoals supernovae en periodieke pulsaties van de rotatie van zwarte gaten. Astronomische gravitatiegolven zullen een revolutie in onze perceptie van het universum creëren.
