Met behulp van hypermoderne technologie en een flinke dosis geluk hebben onderzoekers zwaartekrachtgolven superscherp weten vast te leggen. Het vormt de beste bevestiging tot nu toe van de fundamentele voorspellingen van de fameuze wetenschappers Albert Einstein en Stephen Hawking.
Tien jaar geleden hoorden wetenschappers voor het eerst de kosmische trillingen die ontstaan bij de botsing van twee zwarte gaten, beter bekend als zwaartekrachtgolven. Dat zit zo: als twee zware sterren ineenstorten tot zwarte gaten, eindigt hun bestaan in objecten die zo compact zijn dat zelfs licht er niet aan ontsnapt. Als zulke zwarte gaten botsen, vervormen ze de ruimte zelf en veroorzaken ze zwaartekrachtgolven. Die golven verspreiden zich door het heelal als meetbare trillingen.
En die zijn nu veel nauwkeuriger vastgelegd dan tot nu toe mogelijk was. Daarvoor gebruikten astrofysici Maximiliano Isi en Will Farr van het Flatiron Institute in New York het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten. LIGO en zijn zusterobservatoria Virgo (Italië) en KAGRA (Japan) meten de minuscule rimpels in de ruimtetijd met ongekende precisie. Door de reisduur van laserstralen te registreren, kunnen ze vaststellen hoe de ruimte zelf heel even wordt uitgerekt en ingedrukt. Uit die data is af te leiden hoe zwaar de zwarte gaten waren, hoe snel ze draaiden en wat er gebeurde tijdens hun samensmelting.
Een zwart gat van 63 zonnen
Het nieuwste signaal bleek afkomstig van een fusie die een zwart gat opleverde met een massa gelijk aan 63 zonnen, draaiend met 100 omwentelingen per seconde. Het doet sterk denken aan de allereerste detectie in 2015, maar dit keer was de resolutie vele malen beter. “De nieuwe paren zijn bijna tweelingen van die historische ontdekking”, zegt Isi. “Maar met de verbeterde instrumenten kunnen we nu dingen zien die toen nog verborgen bleven.” Waar eerdere metingen vooral de knal van de botsing lieten zien, konden de onderzoekers dit keer het hele proces volgen: van het eerste contact tot de laatste trillingen van het nieuwe zwarte gat, slechts milliseconden later.
Het team gebruikte een methode die in 2021 voor het eerst werd toegepast om de afzonderlijke frequenties van een zwart gat te isoleren. Die tonen lijken op de bovenste tonen van een muziekinstrument en bevatten cruciale informatie. Dankzij de verbeterde data konden de onderzoekers nu overtuigend laten zien dat het nieuwe zwarte gat zich gedraagt zoals de theorie voorspelt: een eenvoudig object dat volledig wordt beschreven door zijn massa en rotatie.
Die eenvoud werd al in 1963 wiskundig vastgelegd door de Nieuw-Zeelandse fysicus Roy Kerr, die liet zien dat zwarte gaten in Einsteins algemene relativiteitstheorie slechts twee parameters kennen. De nieuwe metingen zijn de sterkste bevestiging tot nu toe dat astrofysische zwarte gaten inderdaad zulke ‘Kerr-zwarte gaten’ zijn.
Bevestiging van Hawkings stelling
Nog spectaculairder is de bevestiging van Stephen Hawkings beroemde ‘area theorem’. Volgens die stelling kan de horizon van een zwart gat – de grens waar niets meer uit kan ontsnappen – alleen maar groter worden. Het is een soort kosmisch equivalent van de tweede wet van de thermodynamica: de entropie van een systeem neemt nooit af.
Na de eerste detectie in 2015 opperde Hawking zelf dat zwaartekrachtgolven misschien ooit bewijs konden leveren voor zijn theorie. Destijds leek dat onmogelijk. In 2019 volgde een eerste voorlopige bevestiging. Nu, met vier keer hogere resolutie, staat de theorie steviger dan ooit. “Het is echt een belangrijke ontdekking dat de grootte van de horizon van een zwart gat zich gedraagt als entropie”, zegt Isi. Volgens hem raakt dit direct aan de diepste vragen in de natuurkunde, zoals de koppeling tussen relativiteit en kwantummechanica.
Entropie is een natuurkundig en wiskundig concept dat een maat is voor wanorde, chaos, onzekerheid of willekeur binnen een systeem. Het beschrijft de neiging van systemen om spontaan naar een staat van toenemende wanorde te evolueren, zoals de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica aangeeft.
De toekomst van zwaartekrachtgolven
De implicaties reiken ver. Als zwarte gaten zich zo eenvoudig laten beschrijven, kunnen wetenschappers zwaartekrachtgolven gebruiken als unieke laboratoria om de grenzen van natuurwetten te testen. Het verband met thermodynamica en entropie wijst bovendien de weg naar een toekomstige theorie van kwantumzwaartekracht.
Will Farr benadrukt hoe cruciaal de techniek is: “Het beluisteren van de tonen die deze zwarte gaten uitzenden is onze beste kans om te leren over de eigenschappen van de extreme ruimtetijden die ze veroorzaken.” En die techniek gaat nog met sprongen vooruit: in het komende decennium moeten nieuwe detectoren tien keer gevoeliger worden dan nu.
Wat ooit begon als pure theorie van Einstein en Hawking, wordt nu zichtbaar in de trillingen van de kosmos zelf. Zoals Isi het samenvat: “Zo lang was dit veld puur wiskundige en theoretische speculatie. Maar nu zijn we in de positie dat we deze ongelooflijke processen echt kunnen zien gebeuren.”
Het concept ruimtetijd is bedacht door Albert Einstein als onderdeel van zijn relativiteitstheorie. Daarin worden de drie dimensies van de ruimte (lengte, breedte, hoogte) gecombineerd met tijd als vierde dimensie. Ruimte en tijd staan dus niet los van elkaar, maar zijn met elkaar verweven en worden beïnvloed door massa en energie. Grote massa’s, zoals planeten en sterren, krommen de ruimtetijd om zich heen. Deze kromming is wat we ervaren als zwaartekracht. Zie het als een trampoline (de ruimtetijd) waarop je een zware bal (een ster) plaatst. De bal zorgt ervoor dat de trampoline doorbuigt. Als je vervolgens een kleiner balletje (een planeet) over de trampoline rolt, volgt dit balletje een gekromde baan richting de zware bal.
