Wetenschappers zijn laagfrequente zwaartekrachtsgolven op het spoor

De zwaartekrachtsgolven kunnen ons een uniek inkijkje geven in hoe grote sterrenstelsels evolueren.

Een eeuw nadat Albert Einstein het bestaan van zwaartekrachtsgolven voorspelde, werden ze enkele jaren geleden ook daadwerkelijk voor het eerst gedetecteerd. En inmiddels zijn er door de zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO en Virgo al veel vaker zwaartekrachtsgolven – niets anders dan rimpelingen in de ruimtetijd – waargenomen. Sommige werden veroorzaakt door botsende zwarte gaten. Anderen door botsende neutronensterren. Eén ding hebben alle tot op heden gedetecteerde zwaartekrachtsgolven gemeen: ze hebben een relatief korte golflengte.

Andere zwaartekrachtsgolven
Laagfrequente zwaartekrachtsgolven – oftewel zwaartekrachtsgolven met een langere golflengte – zijn tot op heden nog niet waargenomen, maar daar kan binnenkort weleens verandering in komen. Astronomen zitten ze namelijk op de hielen, zo is in het blad The Astrophysical Journal Letters te lezen. In data van de onlangs ingestorte Arecibo-radiotelescoop hebben onderzoekers van het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (kortweg NANOGrav) namelijk sporen van deze laagfrequente zwaartekrachtsgolven aangetroffen.

Mogelijke primeur
Als onderzoekers werkelijk laagfrequente zwaartekrachtsgolven op het spoor zijn, is dat een primeur. Hoewel LIGO en Virgo al heel wat zwaartekrachtsgolven hebben gedetecteerd, zijn ze nooit in staat geweest om deze laagfrequente zwaartekrachtsgolven op te merken. “Het grootste verschil (tussen deze zwaartekrachtsgolven en de zwaartekrachtsgolven die eerder door LIGO en Virgo gedetecteerd zijn) is simpelweg de frequentie,” zo legt onderzoeker Joseph Simon desgevraagd uit. “Net als bij het elektromagnetische spectrum heb je ook als het gaat om het spectrum van zwaartekrachtsgolven verschillende instrumenten nodig om verschillende frequenties te bestuderen. Net zoals röntgen- en radiotelescopen elkaar aanvullen, vullen ook LIGO en NANOGrav elkaar aan. Daarnaast zijn ook de bronnen die zwaartekrachtsgolven op deze verschillende frequenties voortbrengen, anders. De zwaartekrachtsgolven die LIGO geobserveerd heeft, komen van zwarte gaten die tientallen keren de massa van onze zon hebben, terwijl de zwarte gaten waarvan wij verwachten dat ze laagfrequente zwaartekrachtsgolven voortbrengen, miljoenen of miljarden keren zwaarder zijn dan de zon. Deze supermassieve zwarte gaten bevinden zich in het hart van zware sterrenstelsels en ontstaan wanneer twee zwarte gaten na het samensmelten van sterrenstelsels, om elkaar heen cirkelen.”

Zee aan zwaartekrachtsgolven
In de miljarden jaren dat het universum bestaat, zijn er al heel wat supermassieve zwarte gaten geweest die in een nauwe baan om elkaar heen cirkelden en zo zwaartekrachtsgolven met een lange golflengte hebben voortgebracht. Het resultaat is als het ware een zee gevuld met een kakofonie aan zwaartekrachtsgolven die sinds het begin van het universum door deze supermassieve zwarte gaten zijn gegenereerd. Dat klinkt misschien alsof het niet zo lastig is om deze laagfrequente zwaartekrachtsgolven op te sporen, maar schijn bedriegt. Want omdat de zwaartekrachtsgolven een lange golflengte hebben, kan het jaren duren voor er eens eentje door een stationaire detector wordt opgemerkt. En daarmee is de zoektocht naar deze zwaartekrachtsgolven veel tijdrovender dan die van LIGO en Virgo; twee stationaire detectoren in theorie wel duizenden zwaartekrachtsgolven per seconde kunnen detecteren, omdat de golven waar zij op jagen een veel kortere golflengte hebben.

Pulsars
En toch denken onderzoekers nu laagfrequente zwaartekrachtsgolven op het spoor te zijn. In hun zoektocht naar deze zwaartekrachtsgolven hebben ze zich laten leiden door pulsars: snel ronddraaiende neutronensterren die elektromagnetische straling uitzenden. Vanaf de aarde gezien lijkt het alsof de pulsars continu knipperen; de straling komt weliswaar aan weerszijden van de neutronenster voortdurend vrij, maar omdat de ster – heel snel – ronddraait, zien wij deze met korte tussenpozen elektromagnetische straling uitzenden. Omdat pulsars heel stabiel zijn, is hun ogenschijnlijke geknipper dat ook; je kunt er de klok op gelijk zetten. Tenzij – en nu komt het – er een zwaartekrachtsgolf tussendoor fietst. Als dat gebeurt, wordt de ruimtetijd heel subtiel uitgerekt en weer samengeperst en dat heeft – opnieuw: een heel subtiele – impact op de tijd die de elektromagnetische straling afkomstig van de pulsar nodig heeft om ons te bereiken. “Je moet je eigenlijk voorstellen dat de aarde dobbert op een oceaan van zwaartekrachtsgolven,” aldus Simon. Terwijl de aarde zo ronddobbert, gaat deze beurtelings op en neer op de golven. “En wat er dan eigenlijk gebeurt, is dat de ruimtetijd beurtelings opgerekt en samengeperst wordt. Daardoor komen de pulsen van pulsars in het ene deel van de ruimte wat eerder aan dan verwacht (omdat de ruimtetijd samengeperst wordt), terwijl de pulsen van pulsars in een ander deel van de ruimte weer iets later arriveren dan verwacht (omdat de ruimtetijd wordt opgerekt).”

Arecibo en Green Bank
In andere woorden: zwaartekrachtsgolven kunnen dus fluctuaties in de timing van de anders zo stabiele pulsars veroorzaken. En dat is exact wat onderzoekers nu hebben zien gebeuren. In data afkomstig van de radiotelescopen Arecibo en Green Bank hebben ze over een periode van 12,5 jaar fluctuaties in de timing van 45 pulsars ontdekt. Deze fluctuaties lijken toe te kunnen worden geschreven aan laagfrequente zwaartekrachtsgolven, zo stellen de onderzoekers.

Slag om de arm
De wetenschappers houden duidelijk nog een slag om de arm. En dat is niet voor niets. Er is namelijk nog veel meer data nodig om te kunnen bevestigen dat de fluctuaties het resultaat zijn van laagfrequente zwaartekrachtsgolven. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie zouden laagfrequente zwaartekrachtsgolven niet de timing van elke pulsar op dezelfde manier beïnvloeden, maar zou het effect afhankelijk van de posities die pulsars ten opzichte van elkaar innemen net ietsje anders moeten zijn. Op dit moment is het signaal dat onderzoekers in de data hebben gevonden nog te zwak om vast te stellen dat dat ook het geval is. “Het signaal in onze data wijst er voor nu op dat de pulsars allemaal dezelfde dobberende beweging van de aarde zien, maar we hebben nog geen specifiek correlatiepatroon tussen de pulsars dat ons vertelt dat deze dobberende beweging ook te wijten is aan zwaartekrachtsgolven – en dus niet het resultaat is van andere bronnen van ruis die we nog niet geïdentificeerd en geïsoleerd hebben,” aldus Simon. Maar daar kan op korte termijn verandering in komen. “Als het signaal dat wij in onze data zien daadwerkelijk een eerste aanwijzing is voor zo’n zee gevuld met laagfrequente zwaartekrachtsgolven, dan verwachten we dat het onderscheidende correlatiepatroon dat dit bevestigt, in de komende jaren wel opduikt.”

Waardevolle data
De ontdekking van zo’n zee aan laagfrequente zwaartekrachtsgolven – onderzoekers spreken ook wel van de low-frequency gravitational wave background – biedt ons compleet nieuwe manieren om ons universum en de geschiedenis ervan nader te verkennen. “Het stelt ons in staat om supermassieve zwarte gaten op een unieke manier te bestuderen. Heel concreet kunnen we leren hoe supermassieve zwarte gaten de groei van de sterrenstelsels waar ze deel van uitmaken, beïnvloeden, wat weer oude mysteries omtrent de kettingreacties die aan de totstandkoming van grote sterrenstelsels ten grondslag liggen, kan oplossen.” De aard van deze zee aan laagfrequente zwaartekrachtsgolven speelt onderzoekers hierbij zeker in de kaart. “In tegenstelling tot de zwaartekrachtsgolven die LIGO ziet, is de low-frequency gravitational wave background een persistent signaal. Het verdwijnt niet zodra we het detecteren en dat betekent dat we het heel gedetailleerd kunnen bestuderen. In die zin lijkt het eigenlijk meer op de kosmische achtergrondstraling dan op de zwaartekrachtsgolven die LIGO ziet.”

Voor nu focussen de onderzoekers zich op het bevestigen van het signaal. En dat is vooral een kwestie van geduld, zo benadrukt onderzoeker Scott Ransom. “We analyseren momenteel data die zo’n 12 jaar beslaat, maar voor een definitieve detectie hebben we nog wat extra jaren nodig. Maar het is geweldig dat deze nieuwe resultaten in lijn zijn met wat we – terwijl we naar detectie toewerken – zouden verwachten.”