Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Door razendsnel om hun as tollende neutronensterren te bestuderen, denken astronomen de tekenen te zien van een zee aan zwaartekrachtgolven.
Een ontdekking mag het nog niet heten, maar verschillende internationale teams zien ‘sterke aanwijzingen’ voor het bestaan van zwaartekrachtgolven met een veel lagere frequentie dan tot nu toe zijn waargenomen. Die zouden zijn voortgebracht door superzware zwarte gaten die om elkaar heen cirkelen.
Lees ook:
- Gravitatiegolven voor het eerst direct waargenomen (2015)
- BlackGEM open jacht op bronnen van zwaartekrachtgolven
Een zwaartekrachtgolf is een rimpeling in de ruimtetijd die bijvoorbeeld ontstaat wanneer twee zware astronomische objecten om elkaar heen bewegen, of wanneer twee zwarte gaten samengaan. Vervolgens reist zo’n golf met de lichtsnelheid vanuit de bron naar buiten toe, zoals kringen zich over het oppervlak van een vijver verspreiden als je er een steen in hebt gegooid. Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtgolven al in 1916. In 2015 zijn ze voor het eerst direct waargenomen.
Tweede strategie
Tot nu toe was het waarnemen van zwaartekrachtgolven voorbehouden aan observatoria als LIGO en Virgo. Die bestaan uit twee haaks op elkaar staande, kilometers lange tunnels. Varieert de lengte daarvan (heel even, een heel klein beetje), dan kan dat duiden op een passerende zwaartekrachtgolf.
Maar er is een tweede strategie, al bedacht in de jaren tachtig: je kunt ook razendsnel roterende neutronensterren genaamd pulsars in de gaten houden. Die geven bij het tollen om hun as namelijk een bundel straling af, die we – als de aarde op de juiste plek staat – kunnen zien als een heel regelmatig signaal.
Dat signaal wordt alleen wat minder regelmatig als er zwaartekrachtgolven in het spel zijn. Zulke golven laten namelijk niet alleen de tunnels van LIGO en Virgo krimpen en uitzetten, maar hebben datzelfde effect op de afstanden tussen pulsars en de aarde. En daardoor komen die in de basis extreem regelmatige pulsarsignalen net wat eerder of later aan dan je zou verwachten. Het met dit doel monitoren van de aankomsttijden van pulsarsignalen wordt een pulsar timing array (PTA) genoemd.
Sterke aanwijzingen
Verschillende internationale PTA’s timmeren al een flinke tijd aan de weg. De European Pulsar Timing Array (EPTA) spant de kroon met 25 jaar aan waarnemingen, de Australische Parkes Pulsar Timing Array heeft 21 jaar aan data, het Noord-Amerikaanse NANOGrav 15 jaar. Ook de 500 meter brede Chinese radiotelescoop FAST – die pas sinds 2020 volledig operationeel is – doet dit soort pulsarmetingen.
En deze week publiceerden al die teams tegelijkertijd hun nieuwste analyses. De boodschap: ze kunnen nog geen ontdekking claimen van de gezochte zwaartekrachtgolven, maar komen wel een heel eind in de buurt. Vooral NANOGrav en EPTA, dat samenwerkte met de Indiaas-Japanse InPTA, zien ‘sterke aanwijzingen’ voor de betreffende golven.
Buiten de boot
Anna Watts, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam, las de drie wetenschappelijke artikelen van de EPTA en vindt ze “erg goed onderbouwd”. “De analyse van de ruis in het tweede artikel is erg indrukwekkend; petje af. En het artikel waarin de belangrijkste resultaten staan is ook heel goed. Alle haken en ogen zijn helemaal uitgelegd.”
Eén zo’n haak (of oog) is dat EPTA weliswaar 25 jaar aan data heeft verzameld, maar het sterkste bewijs voor zwaartekrachtgolven zien als alleen de laatste tien jaar aan data wordt meegenomen. Dat is ook wel te verklaren, zegt sterrenkundige Gemma Jansen, vanuit het Nederlandse radioastronomie-instituut ASTRON betrokken bij EPTA. “Die laatste tien jaar aan data werden verzameld met nieuwe instrumenten; die oudere data is toch van een mindere kwaliteit.”
Wel is het zo dat de zwaartekrachtgolven met de laagste frequenties de langste meettijden nodig hebben. Trillingen die er, zeg, 25 jaar over doen om de ruimtetijd één keer op en neer te laten gaan, zie je niet als je maar tien jaar aan data gebruikt. Die vallen dus buiten de boot als je de oudere gegevens buiten beschouwing laat.
Optelsom van golven
De zwaartekrachtgolven die je met een PTA kunt meten, zijn trouwens van een heel andere orde dan de golven die LIGO en Virgo oppikken. Dit soort ‘tunnel-observatoria’ zijn het gevoeligst voor golven met frequenties van zo’n 100 hertz. Zulke golven ontstaan bij botsingen tussen neutronensterren of zwarte gaten die overblijven als sterren zijn geëxplodeerd.
PTA’s zien daarentegen golven met frequenties van tientallen tot honderden nanohertz. Die komen vooral vrij als superzware zwarte gaten om elkaar heen cirkelen. Oftewel: zwarte gaten die honderden miljoenen of zelfs miljarden keren zoveel wegen als de zon. Zulke gaten bevinden zich in de centra van sterrenstelsels – en kunnen in een baan om elkaar belanden als twee van die stelsels samengaan.
Daarbij zien we met PTA’s op dit moment nog geen afzonderlijke golven, zoals LIGO en Virgo. In plaats daarvan pikken ze de optelsom op van een groot aantal golven. Maar ook die ‘zwaartekrachtgolvenachtergrond’ zou ons op termijn meer kunnen vertellen over de objecten waar hij door veroorzaakt wordt.
Alles op een hoop
Daar zijn de sterrenkundigen alleen nog even niet aan toe. Voor nu is het zaak om het bestaan van die zee aan ultralaagfrequentie zwaartekrachtgolven nog wat beter aan te tonen. Een volgende stap is het samenvoegen van de data van alle PTA’s nu afzonderlijk hebben geanalyseerd. De verwachting is dat het signaal dan wél sterk genoeg is om van een ontdekking te mogen spreken.
Sinds acht jaar meten we zwaartekrachtgolven. Tenminste: bepáálde zwaartekrachtgolven. Het overgrote deel van deze trillingen in de ruimte gaat nu ongemerkt langs ons heen. Verschillende ambitieuze plannen moeten daar verandering in brengen. Je leest daar meer over in KIJK 9-2023 die vanaf donderdag 17 augustus in de winkel ligt.
Bron: Astronomy & Astrophysics