De eerste directe meting van zwaartekrachtsgolven heeft al heel wat nieuwe kennis over ons heelal opgeleverd.

Gisteren overal groot in het nieuws: het experiment LIGO maakte bekend dat het voor het eerst zwaartekrachts- of gravitatiegolven direct heeft waargenomen. Daarmee is het startschot gegeven voor een geheel nieuwe manier van sterrenkunde bedrijven. We hoeven ons namelijk voortaan niet langer te beperken tot het bestuderen van licht uit het heelal, maar kunnen ook deze ‘rimpels in de ruimtetijd’ gaan uitpluizen.

Oké, maar dat is voor later – zou je zeggen. Vooralsnog hebben we immers slechts één setje zwaartekrachtsgolven gemeten. Hoeveel kan dat ons nu vertellen over het universum waarin wij leven? Nou, al behoorlijk wat, zo blijkt.

1. De relativiteitstheorie werkt ook onder extreme omstandigheden

Albert Einsteins magnum opus, de algemene relativiteitstheorie, is onze huidige theorie voor de zwaartekracht. Deze theorie is inmiddels ongeschonden door talloze experimentele tests gekomen – maar tot nu toe werden die allemaal uitgevoerd met behulp van relatief lichte en trage objecten. De zwaartekrachtsgolfdetectie van gisteren bracht daar verandering in. Die was namelijk afkomstig van twee behoorlijk zware zwarte gaten die uiteindelijk meer dan 70 keer per seconde om elkaar heen bewogen, en daarbij snelheden bereikten tot 60 procent van de lichtsnelheid. En ook onder die extreme omstandigheden blijkt Einsteins theorie te stroken met de werkelijkheid.

2. Er zijn zwarte gaten die dertig keer zoveel wegen als onze zon.

Als een zware ster aan het eind van zijn bestaan komt, kun je een zwart gat overhouden. Voorheen dachten we dat dit type zwarte gaten maximaal twintig keer zoveel als onze zon kon wegen. (Daarnaast heb je superzware zwarte gaten die miljoenen keren zoveel kunnen wegen als de zon – maar die ontstaan niet door het exploderen van een enkele ster.) De twee zwarte gaten die de gemelde gravitatiegolf veroorzaakten, wogen echter ongeveer dertig keer zoveel als de zon, het gat dat daarbij ontstond ruim zestig keer zoveel als de zon. En dat is nieuw.

3. Zwarte gaten kunnen samensmelten.

Dat twee zwarte gaten om elkaar heen kunnen cirkelen, om uiteindelijk op elkaar te botsen en samen te gaan tot één groot zwart gat, was iets wat sterrenkundigen wel verwachtten. Dit verschijnsel was echter nog nooit daadwerkelijk waargenomen – totdat het experiment LIGO afgelopen september een setje zwaartekrachtsgolven binnenkreeg, en daar in de maanden daarna uit wist af te leiden dat ze het heelal in werden gestuurd bij een zwarte-gaten-botsing.

4. Een samengesmolten zwart gat trilt nog even na.

De zwaartekrachtsgolven waarover gisteren werd gerapporteerd, zwelden aan tot op het moment waarop de zwarte gaten samensmolten – maar daarna was het niet gelijk einde oefening. Na de samensmelting waren er nog wat kleine golfjes te zien, die corresponderen met het natrillen van het nieuw ontstane gat. En de frequentie van dat natrillen klopte precies met wat je op basis van de relativiteitstheorie zou verwachten bij zo’n gat.

5. Een aantal concurrenten van Einstein zit nu in het nauw.

Er doen de nodige alternatieve theorieën van de zwaartekracht de ronde, die de relativiteitstheorie van zijn troon proberen te stoten. Eén punt waarop de voorspellingen van een deel van deze theorieën afwijken van wat Einsteins theorie zegt, is de vorm van de gravitatiegolf die door samensmeltende zwarte gaten wordt uitgezonden. Helaas voor deze troonpretendenten: de gemeten zwaartekrachtsgolf klopt voor zover wetenschappers hebben kunnen nagaan precies met wat de relativiteitstheorie voorspelt.

6. Het ‘zwaartekrachtsdeeltje’ weegt niets of bijna niets.

Voor zover we weten zijn er vier krachten in de natuur: de elektromagnetische kracht, de sterke kracht, de zwakke kracht en de zwaartekracht. De eerste drie van die krachten kunnen we omschrijven als deeltjes die worden uitgewisseld; de zwaartekracht niet. Maar volgens veel fysici is er ook een ‘zwaartekrachtsdeeltje’: het zogenoemde graviton.

Aangenomen wordt dat dit deeltje niets weegt – maar dat hoeft niet per se zo te zijn. Het LIGO-resultaat legt echter wel een grote beperking op aan de massa van het graviton. Als het wél iets zou wegen, zouden namelijk de delen van een zwaartekrachtsgolf – die uit gravitonen bestaat – met een korte golflengte sneller moeten gaan dan die met een lange golflengte. Zo’n verschil hebben we echter niet kunnen zien – terwijl de golf toch 1,5 miljard jaar onderweg is geweest, en de lange golflengtes dus inmiddels flink achter zouden moeten lopen op de korte.

Daaruit is te concluderen dat áls het graviton al iets weegt, dat minder dan 10 tot de macht -52 milligram moet zijn. En dat is zelfs in de wereld van de elementaire deeltjes heel, heel weinig. Het nietige elektron weegt bijvoorbeeld 10 miljard miljard miljard keer zoveel.

Lees ook: welke experimenten gaan er komende jaren allemaal op zoek naar gravitatiegolven?

Bron: Nikhef

Beeld: Swinburne Astronomy Productions