Minigolf bevestigde Einsteins gelijk opnieuw

De LIGO-meetinstrumenten in Hanford en Livingston (foto) maakten voor het eerst minuscule zwaartekrachtgolven meetbaar. Beide instrumenten bestaan uit twee kaarsrechte, haaks op elkaar staande betonnen buizen van 4 kilometer lang. beeld Wikimedia
6

Stap voor stap dringen astronomen verder door in het mysterie van de zwarte gaten. Hoe onzichtbaar ze ook zijn, botsende zwarte gaten laten hun sporen achter. Dat zijn de zwaartekrachtgolven waarvoor de ontdekkers zondag de Nobelprijs in ontvangst zullen nemen.

Niemand heeft ooit een zwart gat gezien. „Ze zenden geen licht uit en zijn daardoor volkomen onzichtbaar, hoe geavanceerd onze telescopen ook zijn”, verklaart Ralph Wijers op het recent gehouden zwartegatensymposium van het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek SRON. Wijers is hoogleraar astronomie en directeur van het Anton Pannekoek Instituut van de Universiteit van Amsterdam.

Astronomen meten in het heelal echter punten met enorme zwaartekracht. Wijers: „Ze trekken materie aan en zenden sterke röntgenstraling uit.”

In het algemeen noemen ze dergelijke objecten ”Massive compact halo objects”, de zogeheten Macho’s. Met deze term duiden astronomen een verzameling onzichtbare objecten in het heelal aan, zoals zwarte gaten, neutronensterren, bruine dwergsterren en vrij rondzwevende planeten.

Hoe weten astronomen dan dat ze met een zwart gat te maken hebben? Een zwart gat heeft een enorme aantrekkingskracht waarin gas en materie verdwijnen. Mogelijk kunnen ze in de toekomst de zogeheten accretieschijf zichtbaar maken: materie die met extreem hoge snelheden om het zwarte gat wervelt als water in een gootsteen. Loodrecht op een zwart gat vormen zich de zogeheten jets. Die spuwen continu materie uit met bijna de snelheid van het licht, vervolgt Wijers. „Hoe dat werkt, weten we niet. We ontwikkelen momenteel computerprogramma’s om daarvoor een verklaring te vinden.”

Neutronensterren laten zich vergelijken met een zwart gat. Terwijl in een zwart gat alles verdwijnt, is dat bij een neutronenster niet zo. Deze heeft een hard oppervlak, dat echter bijna is uitgedoofd: het zendt nauwelijk nog licht uit. Een neutronenster –ook wel pulsar of magnetar genoemd– draait snel om zijn as en zendt elektromagnetische pulsen uit die op aarde meetbaar zijn.

Ineenstorting

Een zwart gat of een neutronenster ontstaat wanneer een zware ster gewelddadig aan zijn einde komt. Tijdens zo’n zogeheten supernova blaast de ster zijn buitenste lagen het heelal in, terwijl de kern ineenstort tot een neutronenster of een zwart gat. Op aarde is die gebeurtenis te zien als een lichtexplosie.

„Een ster die ongeveer 2 tot 3,5 keer zo zwaar is als de zon verandert in een neutronenster. Voor de vorming van een zwart gat is een ster nodig die zeker meer dan vijf keer zo zwaar is als de zon; er zijn er gemeten die vijftig keer zo zwaar zijn”, legt Wijers uit. „Niemand weet echter waar die grens exact ligt.”

Een neutronenster bestaat vrijwel alleen uit neutronen en is onvoorstelbaar zwaar: één theelepel ‘neutronenster’ weegt meer dan 1 miljard ton.

Vrije val

Een zwart gat is een object dat blijft ineenstorten; materie bevindt zich er permanent in een toestand van vrije val. Deze eigenschap maakt een zwart gat heel lastig voorstelbaar als ruimtelijk object. Astronomen kunnen het fenomeen echter wel wiskundig beschrijven met behulp van Einsteins algemene relativiteitstheorie (1915).

Uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein (1879-1955) volgt dat in het heelal ruimte en tijd één geheel vormen, de vierdimensionale ”ruimtetijd”. Deze is voor te stellen als een strakgespannen rubberen vel: sterren, planeten en zwarte gaten bevinden zich daarop als knikkers van allerlei formaat; hoe zwaarder, hoe dieper ze in het vel wegzakken. Dit is de zogeheten ”kromming van de ruimtetijd”.

De zwaartekracht van een zwart gat is zo groot dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen; de ‘put’ is zo diep dat de ‘knikker’ zelf onzichtbaar is geworden.

De uiterste grens van wat nog waarneembaar is van een zwart gat, heet waarnemingshorizon. Richting de horizon van een zwart gat wordt alles uitgerekt, ook tijd. Daarachter is alles onzichtbaar.

„Op die horizon staat de tijd volledig stil. Je kunt de ”tijd” daar vergelijken met het begrip ”westerlengte” op de Noordpool. Voor een ijsbeer op de Noordpool heeft de lengtegraad geen betekenis meer; zo ook wordt ”tijd” betekenisloos voor iemand die in een zwart gat valt”, legt Gerard ’t Hooft uit tijdens het zwartegatensymposium van SRON. ’t Hooft is Nobelprijswinnaar en hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit Utrecht.

„Zoals voor die ijsbeer westerlengte en oosterlengte door elkaar lopen, zo lopen voor een toeschouwer die in een zwart gat valt toekomst en verleden door elkaar. Heel even kan hij een oneindige toekomst zien, maar daarna kan hij niet meer terug”, legt ’t Hooft uit.

Bizarre wending

Omdat alle materie die in een zwart gat verdwijnt onzichtbaar wordt, is een zwart gat zonder die materie ook voorstelbaar; alsof dat altijd heeft bestaan. Einsteins relativiteitstheorie geeft dan een bizarre wending aan het verhaal: een zwart gat lijkt dan op een ”wormhole”, een ‘put’ zonder bodem, een soort tunnel die toegang zou geven naar een ander universum. „Zwarte gaten hebben echter wel degelijk materie: ze verliezen immers energie door deeltjes uit te zenden. Dus bestaan wormholes niet”, verklaart ’t Hooft onomwonden.

„Wat gebeurt er als zwarte gaten onder een bepaalde minimale massa komen? Exploderen ze? Verdwijnen ze ongemerkt? We weten het niet. Ogenschijnlijk kunnen er oneindig veel deeltjes in het zwarte gat verdwijnen zonder enige begrenzing van energie-inhoud. Maar om dit goed te beschrijven moeten we de kwantummechanica nog beter leren doorgronden.”

Schokgolf

Na een heftige gebeurtenis, zoals een botsing tussen twee zwarte gaten, kan de ruimtetijd trillen. De schokgolven gaan dan door het heelal als rimpelingen in een vijver wanneer er een steen in valt. Zo’n zwaartekrachtgolf rekt de ruimtetijd iets uit en laat hem vervolgens iets krimpen.

Deze trilling is minuscuul, miljoenen malen kleiner dan de grootte van een atoom. Op aarde merkt niemand er iets van, maar met supergevoelige apparaten, zoals de Laser Interferometer Graviational Wave Observatory, kortweg LIGO, die in Hanford en Livingston (VS) staan, is deze wel meetbaar.

De LIGO is een technisch hoogstandje; het meetinstrument bestaat uit twee kaarsrechte betonnen buizen van 4 kilometer lang die haaks op elkaar staan. Daarmee kunnen wetenschappers een afstandsverandering meten van minder dan een menselijke haar in verhouding tot 100 miljard keer de omtrek van de aarde.

Nagalm

Op 14 september 2015 is het zover: de nagalm van een botsing van twee zwart gaten, één van 38 en één van 29 zonnemassa’s, bereikt de LIGO. Het eindresultaat is een zwart gat dat 62 keer zwaarder is dan de zon. De rest –vijf zonnen zwaar– werd in één klap uitgezonden als een gigantische hoeveelheid energie: vijftig keer meer dan alle sterren in het heelal per seconde uitstralen. Precies zoals Einsteins vergelijking E = mc2 voorspelde.

Door de golf verschoof een laserstraal van de twee LIGO-detectoren een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een meter. Het bewijs dat Einsteins theorie nog altijd staat als een huis (zie ”Worden we nu voor de gek gehouden?”). Zo zit het heelal kennelijk in elkaar.

In oktober hebben wetenschappers voor de zesde keer een zogeheten zwaartekrachtgolf in de ruimte gemeten, deze keer van een botsing tussen twee neutronensterren.

Het aantonen van de zwaartekrachtgolven is dermate spectaculair dat de bedenkers van de LIGO, de Amerikaanse emeritus hoogleraren Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne, er op 10 december de Nobelprijs voor Natuurkunde voor ontvangen uit handen van de Zweedse koning.

----

Zie ook:

Zwart, zwaar en zonderling

----