De ruimte drumt loeistrak op zijn eigen kosmische ritme, al kunnen wij het niet direct horen. Dus hoe we dat weten? In 2023 is ontdekt dat pulsars kleine afwijkingen laten zien in hun cadans. De conclusie is dat hieraan iets groots ten grondslag ligt: zwaartekrachtsgolven die langzaam door het heelal trekken met een trillingstijd van maanden tot jaren.
Maar waar komen die golven vandaan? Twee Japanse natuurkundigen, onderzoeksleider Hideki Asada en zijn collega Shun Yamamoto van de Hirosaki University, komen met een antwoord en beschrijven een nieuwe methode om de bron van deze zwaartekrachtsgolven bloot te leggen.
Nanohertz-zwaartekrachtsgolven
Pulsars zijn overblijfselen van ontplofte sterren. Deze neutronensterren draaien razendsnel rond en zenden ondertussen radioflitsen uit in een extreem regelmatig patroon. Ze worden dan ook wel kosmische klokken genoemd. Radiotelescopen op Aarde meten die flitsen met grote precisie. Wanneer de ruimte tussen een pulsar en de Aarde wordt verstoord, bijvoorbeeld door een zwaartekrachtsgolf, dan verandert het ritme van die signalen heel subtiel. Zo kun je dus indirect de eigenschappen van een zwaartekrachtsgolf meten. “In 2023 kwamen verschillende internationale teams met sterk bewijs voor nanohertz-zwaartekrachtsgolven”, zegt Asada. “Nanohertz betekent dat de golven een periode hebben van maanden tot jaren met een golflengte van meerdere lichtjaren.”
Het bewijs is indrukwekkend, maar nog niet sluitend. “De metingen zijn statistisch betrouwbaar, maar blijven net onder de beroemde 5-sigma-drempel die natuurkundigen hanteren voor een officiële ontdekking”, legt Asada uit. “Toch gaan veel onderzoekers ervan uit dat we dicht bij de eerste bevestigde detectie van zwaartekrachtsgolven op nanohertz-frequenties zijn.”
En nog voor die officiële bevestiging er is, komt de volgende vraag al opzetten: wat veroorzaakt deze kosmische rimpelingen? Volgens Asada zijn er twee hoofdverdachten. “De eerste mogelijkheid is kosmische inflatie, een theorie die stelt dat het heelal vrijwel direct na de oerknal razendsnel exponentieel is uitgezet. Daarbij zouden minieme rimpels in de ruimtetijd zijn ontstaan die nu, miljarden jaren later, nog steeds meetbaar zijn.” En dan is er nog een tweede optie. De oorzaak zou ook kunnen liggen in superzware zwarte gaten die om elkaar heen draaien nadat hun gaststelsels zijn samengevoegd. Zulke systemen zijn mogelijk ook in staat om zwaartekrachtsgolven uit te zenden met precies de juiste nanohertz-frequentie. Het probleem is dat beide scenario’s op papier vergelijkbare patronen in de pulsargegevens opleveren. “Tot nu toe leek het onmogelijk om de twee van elkaar te onderscheiden”, zegt Asada. “Maar wij laten zien dat dat wél kan, als we goed luisteren.”
Kosmische beats
Asada en Yamamoto gebruiken een verschijnsel dat bekend is uit de muziek, namelijk beats. Wanneer twee tonen bijna dezelfde frequentie hebben, versterken en verzwakken ze elkaar afwisselend. Dat zorgt voor een pulserend geluid, denk bijvoorbeeld aan twee bijna gelijk gestemde gitaarsnaren die samen trillen. Volgens de onderzoekers kan hetzelfde gebeuren met zwaartekrachtsgolven. “Als twee systemen van superzware zwarte gaten bijna dezelfde frequentie hebben, kunnen hun golven interfereren en een beatpatroon vormen”, denkt Asada. “Die ‘beat’ zou zichtbaar moeten zijn in de timing van pulsars.” Zo’n regelmatige modulatie zou erop wijzen dat het signaal afkomstig is van specifieke gepaarde zwarte gaten, niet van een diffuse achtergrond van oeroude kosmische ruis.
Voorlopig moeten de onderzoekers nog even geduld hebben, het is wachten op meer data. Maar Asada kijkt vooruit: “Mogelijk hebben we binnen een paar jaar een bevestigde detectie. De volgende stap is dan om uit te vinden waar deze golven vandaan komen. Onze methode kan dan helpen om te bepalen of ze voortkomen uit kosmische inflatie of uit nabije zwarte gaten die om elkaar heen draaien.”
