Uitleg: Nobelprijs Natuurkunde voor meting zwaartekrachtgolven
De Nobelprijs voor Natuurkunde 2017 is toegekend aan de Amerikaanse emeritus hoogleraren natuurkunde Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne „voor hun doorslaggevende bijdragen aan de LIGO-detector en de detectie van zwaartekrachtgolven.”
Dat maakte het Nobelcomité van de Zweedse Academie van Wetenschappen in Oslo (Noorwegen) dinsdag bekend.
Wat is een zwaartekrachtgolf?
Een zwaartekrachtgolf ontstaat in het heelal door een botsing van twee zwarte gaten. Zo’n explosie stuurt een schokgolf door het heelal, zoals rimpelingen in het water als daar een steen in valt. Die rimpels zijn zo klein dat niemand zal merken dat er een zwaartekrachtsgolf voorbijraast.
Hoe weten mensen dan dat zwaartekrachtgolven bestaan?
Dat volgt uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein: wanneer een zwaartekrachtgolf de aarde passeert, zullen de afstanden tussen voorwerpen heel even veranderen. De invloeden zijn zo klein dat een meter een fractie van een atoomdikte langer of korter zou worden. Het meten daarvan is erg lastig omdat ook meetapparatuur evenveel langer of korter wordt.
Hoe kan een zwaartekrachtgolf dan toch worden gemeten?
De gelauwerde wetenschappers bedachten hiervoor rond 1980 een hypergevoelig meetinstrument, de zogeheten LIGO-detector (van Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Het is het gevoeligste apparaat om trillingen te detecteren dat de mensheid ooit heeft gebouwd.
Een LIGO-detector bestaat uit twee kilometerslange buizen die haaks op elkaar staan. Een laser zendt voortdurend licht naar de installatie. Dit laserlicht valt op een halfdoorlatende spiegel, die het licht splitst. Daardoor valt in elk van de buizen een deel van de laserstraal. De constructie is zo gemaakt dat het terugkaatsende licht uit de ene buis dat van de andere uitdooft.
Komt er een zwaartekrachtgolf voorbij, dan wordt één arm iets uitgerekt omdat de ruimtetijd uitrekt. De andere arm krimpt iets. De lichtstralen doven elkaar dan even niet uit. De detector neemt vervolgens een uiterst klein signaal waar dat een fractie van een seconde duurt.
Het meetapparaat werkte dus?
Ja, uitstekend. Op 14 september 2015 namen de LIGO-detectoren in Livingston en Hanford (VS) voor het eerst zwaartekrachtgolven waar. De wetenschappers maakten hun baanbrekende ontdekking op 11 februari 2016 bekend. Deze eerste meting van zwaartekrachtgolven wordt beschouwd als een mijlpaal in de natuurkunde en de astronomie.
Sindsdien zijn er nog drie keer zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten gedetecteerd. De meest recente, op 14 augustus 2017, is voor het eerst met drie detectoren tegelijk gedaan, namelijk met de twee LIGO-detectoren en de Advanced Virgo-detector bij Pisa in Italië die samen de internationale LIGO-Virgo Collaboration (LVC) vormen.
