‘Monsterachtige zwaartekrachtsgolven’ ontdekt dankzij schijnbaar verstoorde kosmische klokken

Voor het eerst zijn er sterke aanwijzingen gevonden voor ultra-laagfrequente zwaartekrachtsgolven, die waarschijnlijk afkomstig zijn van paren van superzware zwarte gaten in het midden van samensmeltende sterrenstelsels.

Afgelopen week kon je op Scientias.nl al lezen over een ‘belangrijke aankondiging’ op het gebied van zwaartekrachtsgolven. De verwachtingen waren dan ook hooggespannen en er werd de afgelopen dagen druk gespeculeerd. Want wat zou er ontdekt zijn? Het hoge woord is er nu uit. Want een team van Europese astronomen is, samen met Indiase en Japanse collega’s – binnen de zogenoemde NANOGrav Collaboration – op laagfrequente zwaartekrachtsgolven van kolossale zwarte gaten gestuit. Deze zwaartekrachtsgolven zijn gevonden met behulp van ‘kosmische klokken’.

Zwaartekrachtsgolven: hoe zit het ook alweer?
Zwaartekrachtsgolven zijn kort gezegd rimpelingen van de ruimtetijd. Die ruimtetijd kun je het beste voorstellen als een vrij strak gespannen laken. Planeten en sterren liggen als ballen op dit laken, waardoor de ruimtetijd lokaal gekromd is. Ondertussen zijn er ook nog golven die door de ruimtetijd reizen: zwaartekrachtsgolven. Deze golven ontstaan tijdens extreme gebeurtenissen, zoals het fuseren van zwarte gaten of neutronensterren.

Een internationaal team van wetenschappers (waaronder ook Nederlandse astronomen, bijvoorbeeld van ASTRON) jaagt binnen het NANOGrav samenwerkingsverband op een bepaald type zwaartekrachtsgolf, namelijk de zwaartekrachtsgolf op lagere frequenties (golflengtes van enkele lichtjaren). Dit zijn dus andere zwaartekrachtsgolven dan de exemplaren die al eerder met detectoren zoals LIGO en VIRGO (golflengtes van enkele kilometers) zijn opgemerkt. Concreet gaat het om zwaartekrachtsgolven met frequenties in de orde van nanohertz. En op deze nanohertz-frequenties kunnen unieke bronnen en verschijnselen worden waargenomen.
 
Kosmische klokken
Om laagfrequente zwaartekrachtsgolven te detecteren, richt het team zich op pulsars. Dit zijn snel ronddraaiende neutronensterren die – terwijl ze ronddraaien – bundels radiogolven uitzenden die op aarde kunnen worden opgevangen. Die uitzendingen kun je een beetje vergelijken met het licht van een vuurtoren dat over het strand strijkt. En net zoals je dat licht van een vuurtoren – dat elke keer met dezelfde tussenpozen over het strand strijkt – kunt gebruiken om de tijd bij te houden, kun je ook pulsars als een soort ‘kosmische klokken’ inzetten. Want ook de uitbarstingen van radiogolven, zoals we die hier op aarde waarnemen, vinden elke keer met dezelfde tussenpozen plaats. “Pulsars zijn fantastische kosmologische klokken,” licht Emma van der Wateren, verbonden aan het Nederlands Instituut voor Radioastronomie ASTRON en de Radboud Universiteit, toe. “We gebruiken de veranderingen in de extreme regelmaat van het ‘tikken’ van de klokken om het subtiele uitrekken en samendrukken van de ruimtetijd te detecteren, dat veroorzaakt wordt door zwaartekrachtgolven.”

Detector
Met behulp van vijftien jaar aan astronomische gegevens die zijn vastgelegd door een verscheidenheid aan radiotelescopen, bouwde het NANOGrav-team een enorme ‘detector’ die zich uitstrekt over vijfentwintig specifiek gekozen pulsars, verspreid over de Melkweg. Vervolgens vergeleken ze de tiksnelheid van paren van die pulsars. Kortom, onderzoekers hebben waarnemingen van zeer regelmatige pulsen van uitgedoofde sterren gebruikt als een soort zwaartekrachtsgolfdetector ter grootte van ons Melkwegstelsel.

Ruimtetijdverstoringen
De waarnemingen hebben nu tot een baanbrekende ontdekking geleid. Want de onderzoekers ontdekten variaties in de ‘tiksnelheid’ van de pulsars. Hun analyse levert bewijs dat deze opgemerkte variaties veroorzaakt worden door laagfrequente zwaartekrachtsgolven die het weefsel van de fysieke realiteit, bekend als ruimtetijd, vervormen. Anders gezegd, het team ontdekte ruimtetijdverstoringen die waarschijnlijk worden veroorzaakt door monsterachtige zwaartekrachtsgolven, die door alles wat bestaat bulderen. Hoe zwaartekrachtsgolven de tikfrequenties van de pulsars veranderen? Dat zit zo. Doordat de ruimte tussen de aarde en de pulsars wordt uitgerekt en samengedrukt, komen de radiopulsen miljardsten van seconden eerder of later op aarde aan dan verwacht.

Vergelijking
Zwaartekrachtsgolven werden voor het eerst voorspeld door Albert Einstein in 1916. Maar pas in 2015 werd hun bestaan bevestigd. Hoewel de opgepikte zwaartekrachtsgolven werden veroorzaakt door twee verre, zwarte gaten, was de resulterende ruimtelijke vervorming die de LIGO-detector destijds detecteerde, kleiner dan de kern van een atoom. Ter vergelijking: de schijnbare pulsar-tijdverschuiving gemeten door het NANOGrav-team is een paar honderd miljardste van een seconde en vertegenwoordigt een buiging van de ruimtetijd tussen de aarde en de pulsars over de lengte van een voetbalveld. Die ruimtetijdverstoringen werden veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven die zo immens zijn, dat de afstand tussen twee pieken 2 tot 10 lichtjaar is, of ongeveer 9 tot 90 biljoen kilometer.

Monsterachtige zwaartekrachtsgolven
Het gaat dus om werkelijk recordbrekende, monsterachtige zwaartekrachtsgolven. “Dit zijn verreweg de krachtigste zwaartekrachtsgolven waarvan we weten dat ze bestaan,” zegt astrofysicus Maura McLaughlin. “Het detecteren van zulke gigantische zwaartekrachtsgolven vereist een vergelijkbare massieve detector en veel geduld.”

Zwarte gaten
Wat de ontdekking daarnaast zo bijzonder maakt, is dat het wetenschappers nu voor het eerst gelukt is om met behulp van pulsars zwaartekrachtsgolven met een lage frequentie te detecteren. “De waarschijnlijke bron van deze golven zijn (een verzameling, red.) verre paren supermassieve zwarte gaten die in dichte banen rond elkaar cirkelen,” aldus onderzoeker Stephen Taylor. De zwaartekrachtgolven waar nu bewijs voor is, zijn dus hoogstwaarschijnlijk een som van signalen van een heel groot aantal superzware zwarte gaten die heel langzaam om elkaar heen draaien.

Artistieke impressie van zwaartekrachtsgolven van een paar dicht om elkaar heen cirkelende zwarte gaten (links in de verte). De golven passeren verschillende pulsars en de aarde (rechts). Afbeelding: Keyi “Onyx” Li/U.S. National Science Foundation

De onderzoekers zien de resultaten als het begin van een nieuwe ontdekkingstocht in het heelal. “Deze ultra-laagfrequente zwaartekrachtsgolven bevatten informatie over de best bewaarde geheimen van het heelal,” zegt astronoom Gemma Janssen. “We weten nog weinig over de populatie van dubbele zwarte gaten met enorme massa’s – van miljoenen tot miljarden keer de massa van de zon, die ontstaan wanneer sterrenstelsels samensmelten.”

Wijdverspreid
Dankzij het onderzoek zijn wetenschappers er nu in geslaagd een detector te bouwen waarmee ze de zwaartekrachtsgolven die ons universum doordringen, kunnen detecteren. De resultaten bieden dan ook nieuwe inzichten in hoe sterrenstelsels evolueren en hoe superzware zwarte gaten groeien en samensmelten. De wijdverspreide ruimtetijdvervorming die in hun bevindingen aan het licht komt, impliceert dat extreem massieve paren zwarte gaten mogelijk ook veelvuldig in het universum voorkomen. Misschien zijn ze wel met honderdduizenden of zelfs miljoenen!

Uiteindelijk verwacht het NANOGrav-team specifieke paren van superzware zwarte gaten te kunnen identificeren door de zwaartekrachtsgolven die ze uitzenden, te volgen. Misschien dat ze zelfs sporen van zwaartekrachtsgolven uit het piepjonge heelal aan het licht kunnen brengen. En dus kunnen we nog genoeg op dit interessante onderzoeksgebied verwachten. “Terwijl onze eerste gegevens ons vertelden dat we ‘iets’ hoorden, weten we nu dat dit de muziek van het ‘zwaartekrachtsuniversum’ is,” zegt onderzoeker Xavier Siemens. “Als we blijven luisteren, zullen we afzonderlijke instrumenten in dit kosmische orkest gaan herkennen.”

Bronmateriaal

"Gravitational waves from colossal black holes found using 'cosmic clocks'" - National Science Foundation (via EurekAlert)
"Pulsar-klokken openen nieuw venster op zwaartekrachtgolven" - Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie
Afbeelding bovenaan dit artikel: Science Photo Library (via canva.com)

Fout gevonden?

Interessant voor jou

Voor jou geselecteerd