Rimpelingen van het Ruimteweefsel 1 Thomas Hertog

Transcriptie

1 Rimpelingen van het Ruimteweefsel 1 Thomas Hertog Het LIGO Observatorium in de Verenigde Staten schreef onlangs de eerste rechtstreekse waarnemingen van gravitatiegolven op zijn naam. Het uitermate zwakke signaal bleek afkomstig van twee, voor het overige onzichtbare zwarte gaten diep in het heelal, die anderhalf miljard jaar geleden samensmolten tot één groter zwart gat. Albert Einstein voorspelde precies honderd jaar geleden op basis van zijn algemene relativiteitstheorie dat dergelijke versmelting gepaard gaat met trillingen van het ruimteweefsel gravitatiegolven die zich vervolgens aan de lichtsnelheid voortplanten. De detectie van gravitatiegolven laat wetenschappers toe om het donkere heelal te exploreren. Dit luidt een nieuw tijdperk in voor de natuurkunde en de astronomie. Deze bijdrage schetst het belang en de draagwijdte van deze ontwikkelingen in een wetenschappelijk historisch kader, met ook aandacht voor enkele belangrijke perspectieven voor Vlaanderen en België.. In juni 1905, terwijl hij zes dagen per week en acht uur per dag in een octrooibureau in het Zwitserse Bern werkte, voltooide Albert Einstein zijn speciale relativiteitstheorie, waarin tijd en ruimte verweven zijn in een `ruimtetijd. De theorie voorspelt dat afstanden, snelheden en tijdsduren niet absoluut zijn, maar altijd relatief, afhankelijk van de waarnemer. Hieruit leidde Einstein een formule af die de beroemdste vergelijking ter wereld zou worden: E=mc 2. De speciale relativiteitstheorie verankert de vaststelling dat niets sneller kan bewegen dan met de snelheid van het licht. Einstein realiseerde zich dat dit onverzoenbaar is met Newtons zwaartekrachttheorie, die stelt dat de zwaartekracht zijn invloed onmiddellijk doet voelen door de ruimte en gebaseerd is op een wereldbeeld waarin tijd en ruimte absoluut en strikt gescheiden zijn. Newtons theorie is echter bijzonder vaag over het fysische mechanisme dat aan de grondslag ligt van de zwaartekracht. Newton zelf was zich hiervan ter dege bewust en schreef hierover in een brief aan Richard Bentley: Gravity must be caused by an agent, but whether this agent is material or immaterial is a question I have left to the consideration of my readers. In 1907 ging Einstein daarom aan de slag om Newtons eeuwenoude wetten van de zwaartekracht volledig te herdenken teneinde het mechanisme waarmee de zwaartekracht zich laat gelden te ontrafelen en om haar in overeenstemming te brengen met zijn speciale relativiteitstheorie. Bijna tien jaar zwoegde hij op dit probleem, wat hij beschrijft als een lange, eenzame tocht doorheen de woestijn; zelfs zijn meest nabije collega s dachten dat hij tot mislukken gedoemd was. Tot Einstein in november 1915 eindelijk zijn algemene relativiteitstheorie kon voorstellen, waarmee hij een radicaal nieuwe beschrijving van de zwaartekracht gaf in termen van de kromming van ruimte en tijd. Volgens de algemene 1 Bijdrage voor Karakter, Academische Stichting Leuven

2 relativiteitstheorie bestaat er in feite geen `zwaartekracht. De Aarde trekt niet aan een glas dat uit je hand glipt, maar onze planeet creëert een vallei in het ruimteweefsel in haar omgeving, zodat het glas als het ware langs een helling naar de grond glijdt. Space-time tells matter how to move. Matter tells space-time how to curve, stelde Einstein, en dat is wat we ervaren als de zwaartekracht. Einsteins theorie werd aanvankelijk met veel scepsis onthaald. Vier jaar later echter meldden de wereldmedia dat uit nieuwe astronomische waarnemingen was gebleken dat de Zon de positie van de sterren aan de hemel lichtjes beinvloedt en wel precies zoals Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt. Deze bevindingen bezorgden Einstein meteen wereldfaam. Hij werd de man die Newton had onttroond en de mensheid een stap dichter bij de ontrafeling van de meest fundamentele natuurwetten had gebracht. Met zijn algemene relativiteitstheorie bevrijdde Einstein ruimte en tijd uit het domein van de metafysica waar Newton hen had ondergebracht. Einsteins ideeën vonden bovendien weerklank in andere gebieden van de wetenschap en de kunsten. De eerste tests van de algemene relativiteitstheorie waren weliswaar een triomf voor de theorie, maar gaven enkel informatie over de kromming van het ruimteweefsel in ons zonnestelsel. Deze is bijzonder klein van de orde 10-6 aan het oppervlak van de Zon en amper 10-9 in de omgeving van de Aarde. De afwijkingen van Newtons oude zwaartekrachttheorie op het niveau van ons zonnestelsel zijn dan ook zeer beperkt. De algemene relativiteitstheorie had echter nog grote verrassingen in petto waar ook Einstein helemaal niet op voorbereid was, gaande van de oerknaltheorie tot zwarte gaten en gravitatiegolven. Terwijl hij tijdens de Eerste Wereldoorlog bij de Duitse artillerie aan het Russische front diende, verdiepte de sterrenkundige Karl Schwarzschild zich als een van de eersten in Einsteins nieuwe vergelijkingen. In 1916 slaagde hij er in om deze exact op te lossen en meer bepaald om een precieze beschrijving te geven van de kromming van de ruimte die ontstaat wanneer deze wordt vervormd door een bolvormig lichaam zoals de Zon. Schwarzschilds oplossing toonde aan dat als je een willekeurig object voldoende samenperst bijvoorbeeld de Zon tot een bol met een diameter van slechts enkele kilometers de kromming van de ruimte zo extreem wordt dat alles wat in de buurt komt, nooit meer kan ontsnappen. Er vormt zich een gebied rondom het object waarin zelfs licht wordt gevangen gehouden. Tegenwoordig zouden we zeggen: er ontstaat een zwart gat. Aanvankelijk beschouwden wetenschappers inclusief Einstein de notie van zwarte gaten als een wiskundige eigenaardigheid van de algemene relativiteitstheorie, zonder enige relevantie voor de fysische wereld. Bovendien heerste er een enorme verwarring over de aard van de buitenste rand van dergelijke mysterieuze objecten, tegenwoordig de horizon genoemd. Schwarzschild zelf vermoedde dat de kromming van de ruimte er oneindig wordt, waardoor begrippen als ruimte en tijd er hun betekenis zouden verliezen. In 1933 toonde Georges Lemaître echter aan dat deze conclusie op een verkeerde fysische interpretatie berust van de oplossing.

3 Pas in de jaren 50 trok de nevel rond de aard van zwarte gaten in de algemene relativiteitstheorie enigszins op. Bovendien werd alsmaar duidelijker dat de implosie van de resterende materie aan het einde van de levenscyclus van voldoende zware sterren effectief tot de vorming van zwarte gaten kan leiden. Het bestaan van dergelijke stellaire zwarte gaten werd inmiddels bevestigd door talrijke indirecte astronomische waarnemingen van gas en hemellichamen in hun omgeving. Alleen al onze Melkweg telt waarschijnlijk vele miljoenen zulke zwarte gaten. Tegenwoordig spelen zwarte gaten ook een cruciale rol in gedachte--experimenten in het onderzoek in de hoge-energie fysica en de kosmologie. Stephen Hawking toonde in de jaren 1970 op wiskundige gronden aan dat subtiele kwantumeffecten ervoor zorgen dat zwarte gaten toch heel lichtjes stralen waardoor ze krimpen en uiteindelijk helemaal verdwijnen. Sindsdien is men ervan overtuigd dat de extreme eigenschappen van zwarte gaten hen uiterst geschikt maken als laboratorium, niet enkel om de algemene relativiteitstheorie in haar meest extreme omstandigheden te testen, maar tevens om die theorie te verenigen met de kwantummechanica tot een allesomvattende theorie die de macro - en de microwereld beschrijft in een overkoepelend wiskundig kader. Meer zelfs, sommige van de meest fundamentele discussies in de hedendaagse hogeenergie fysica gaan precies over de vraag of en op welke manier kwantumprocessen van betekenis zijn in de omgeving van de horizon van zwarte gaten, en wat dat ons vertelt over hun interne structuur en bij uitbreiding over de oerknal, want een uitdijend heelal is in wiskundig opzicht een zwart gat binnenste buiten gekeerd. Gedurende decennia was dit een louter theoretisch debat. De interne structuur van zwarte gaten is immers onzichtbaar voor de buitenwereld en ook vanuit hun nabije omgeving bereikt ons nauwelijks elektromagnetische straling. De geboorte van de astronomie met gravitatiegolven brengt hierin een revolutionaire verandering. Het bestaan van gravitatiegolven volgt rechtstreeks uit de Algemene Relativiteitstheorie, zoals Einstein zelf al meteen in 1916 aantoonde. De theorie stelt immers dat de ruimte vervormt in de omgeving van massa s. Elke beweging van massa s leidt tot een verandering in die vervorming. Als bijvoorbeeld een koppel sterren of zwarte gaten om elkaar heen draaien, zal de vervorming van de ruimte zich voortdurend aanpassen. Dit leidt tot trillingen van het ruimteweefsel net zoals wanneer kinderen rondjes lopen op een trampoline. Deze trillingen gravitatiegolven onttrekken energie aan de bewegende massa s, waardoor hun banen dan weer lichtjes wijzigen, en planten zich vervolgens volkomen ongehinderd aan de lichtsnelheid voort. Gravitatiegolven zijn dus in vele opzichten het mechanisme waarmee variaties in de zwaartekracht zich laten voelen, en waarvan de identificatie een belangrijke motivatie en leidraad was in Einsteins zoektocht naar een nieuw model van de zwaartekracht.. Nagenoeg alle bewegende massa s in het heelal zenden dus gravitatiegolven uit. Maar, nagenoeg alle bronnen van gravitatiegolven zijn extreem zwak, want de koppeling tussen

4 massa enerzijds en de kromming van het ruimteweefsel anderzijds is bijzonder klein. Het hoeft dan ook niet te verbazen dat Einstein aanvankelijk overtuigd was dat gravitatiegolven nooit zouden worden waargenomen. In 1936 komt hij zelfs terug op zijn eigen voorspelling en verklaart dat gravitatiegolven helemaal niet bestaan, wat zijn eminente collega Arthur Eddington noopt tot de bedenking dat `gravitational waves move at the speed of thought. Men was destijds echter niet op de hoogte van het bestaan van hemellichamen vele keren zwaarder dan de Zon. De zwarte gaten waarvan de samensmelting de uitbarsting van gravitatiegolven gegenereerd heeft die onlangs door LIGO werden opgevangen waren respectievelijk 36 en 29 keer zo zwaar als de Zon. Bovendien draaiden ze net voor hun versmelting zomaar eventjes aan de helft van de lichtsnelheid rond elkaar. Dergelijke extreme omstandigheden creëren een significante vervorming van de ruimtetijd die gepaard gaat met een hevige puls van gravitatiegolven die wel honderd keer meer energie bevat dan wat alle sterren in het heelal samen uitstralen! Het precieze patroon van de puls van gravitatiegolven kan zeer nauwkeurig berekend worden op basis van de algemene relativiteitstheorie. Zij bevat een weelde aan informatie, gaande van de massa s en rotatiesnelheden van de initiële zwarte gaten tot hun afstand van ons en, bovenal, de gedetailleerde kromming van de ruimtetijd in de omgeving van hun horizon. De relativiteitstheorie voorspelt dat de samensmelting van twee zwarte gaten tot een nieuwe zwart gat leidt met een oppervlak dat groter is dan de som van de oppervlaktes van beide initiële zwarte gaten. In het geval van de LIGO-detectie toonden de metingen aan dat het finale zwarte gat 62 keer zwaarder was dan de zon, wat betekent dat haar diameter enkele honderden kilometers bedraagt. Het moge duidelijk wezen dat met de rechtstreekse waarneming van gravitatiegolven een nieuw tijdperk aanbreekt voor de natuurkunde en de astronomie. Enerzijds verschaft het ons toegang tot gebieden van het heelal waarin de kromming van de ruimte enorm is en wordt het mogelijk om sommige van de meest spectaculaire en mysterieuze voorspellingen van de relativiteitstheorie met grote nauwkeurigheid te verifiëren. Anderzijds zullen de gegevens meer inzicht bieden in de eindfase van de evolutie van zware sterren en mettertijd zelfs toelaten om de hele geschiedenis van het heelal te reconstrueren aan de hand van de evolutie van zwarte gaten. Maar hoe manifesteren gravitatiegolven zich? En hoe neem je dergelijke golven waar? Gravitatiegolven veroorzaken zeer subtiele, periodieke uitdijingen en inkrimpingen van de ruimte, waarbij de ruimte in de ene richting krimpt wanneer ze in de andere uitdijt. Er komen helemaal geen licht of materiedeeltjes aan te pas. Het is een zuiver geometrisch fenomeen en heeft daarom enkel betrekking op de onderlinge afstand de ruimte tussen objecten. Dit gegeven bracht Ray Weiss in de jaren 1970 op het idee om een L-vormig laboratorium te bouwen om gravitatiegolven te meten. Bij de passage van een puls van gravitatiegolven zou volgens Einsteins theorie de ene arm van de L moeten krimpen terwijl de andere lichtjes uitzet. Hiermee lag Weiss aan de basis van het ontwerp van het L-vormige LIGO experiment. Decennia later is het resultaat een verbluffend technologisch hoogstandje waarin men met behulp van laser stralen het verschil in lengte tussen twee loodrechte,

5 vacuüm buizen van 4km tot op een nauwkeurigheid van een duizendste van de diameter van een proton meet, net voldoende om de meest krachtige uitbarstingen van gravitatiegolven op te vangen. Dergelijke fenomenale precisie is overigens van dezelfde orde als de lengte en tijdsschalen die bestudeerd worden in de Large Hadron Collider in het CERN. Het heeft vele jaren werk en technologische innovatie gevergd om het meest gevoelige meetinstrument dat ooit werd ontworpen ongevoelig te maken voor alles wat geen gravitatiegolf van kosmische oorsprong is. Om interferentie van Aardse bewegingen te vermijden bestaat het LIGO observatorium uit twee identieke L-vormige opstellingen, eentje in Hanford (Washington) en een tweede in Livingston (Louisiana), op een tiental millilichtseconden van elkaar verwijderd. Beide sets van buizen zijn bovendien perfect geïsoleerd van alle mogelijke Aardse bronnen van gravitatiegolven, gaande van de beweging van de wind in Hanford en de oceaan in Livingston, tot seismische activiteit, overvliegende vliegtuigen enzovoort. Met de observatie van gravitatiegolven opent de mensheid een nieuw venster op het heelal. Tot voor kort waren astronomen haast uitsluitend aangewezen op informatie in lichtgolven die ons vanuit de ruimte bereiken (op enkele neutrino s na). Gravitatiegolven zullen ons mettertijd het verhaal vertellen van het donkere heelal, dat geen licht uitstraalt en wordt gedomineerd door de dynamiek van zwarte gaten, de donkere materie, en de geometrie van de ruimtetijd zelf. En vermits het donkere heelal niet minder dan 95% van alle energie in het heelal herbergt, is er bijzonder veel ruimte voor ontdekkingen, en verrassingen. De bouw in de komende jaren van een wereldwijd netwerk van observatoria naar het model van LIGO zal de gravitationele astronomie verder ontwikkelen tot een volwaardige tak van de astronomie. De verschillende detectoren zullen samenwerken een gravitatiegolf uit de ruimte passeert tenslotte door alle detectoren wat een zeer nauwkeurige afstands- en plaatsbepaling van de bronnen zal toelaten. Er bestaan zelfs reeds plannen voor een tweede generatie van Aardse observatoria, met name om ondergronds een triangulair observatorium te bouwen wat gepast de Einstein Telescoop werd gedoopt waarbij de lengte van de drie buizen wel 10km zou bedragen. Bovendien blijkt de ondergrond in de Belgisch-Duits-Nederlandse grensstreek uitermate geschikt voor een dergelijk observatorium! Het spreekt voor zich dat de realisatie van de Einstein Telescoop enorme perspectieven zou bieden voor België, niet enkel wat onze wetenschappelijke en technologische bijdrage aan dit onderzoeksdomein betreft maar ook om het maatschappelijk draagvlak voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek te versterken. Het is echter moeilijk om op Aarde nog grotere observatoria te bouwen. Dit maakt dat men enkel relatief kleine bronnen kan bestuderen vanop Aarde, zoals stellaire zwarte gaten en neutronensterren, die gravitatiegolven van een voldoende hoge frequentie uitzenden. Daarom werkt de European Space Agency aan elisa de evolved Laser Interferometer Space Antenna. Dit is de eerste ruimtemissie gericht op de waarneming van gravitatiegolven (een voorbereidende technologische `Pathfinder missie werd reeds met succes gelanceerd vorige herfst) waarvan de Belgische bijdrage vanuit Leuven wordt gecoördineerd. Het elisa observatorium zal bestaan uit drie satellieten die heel nauwkeurig op een afstand van

6 enkele miljoenen kilometer van elkaar gehouden worden. In het hart van elke satelliet zal zich een goudklompje bevinden dat afgeschermd zal zijn van alle mogelijke effecten behalve de zwaartekracht de vorm van de ruimtetijd zelf. Een gravitatiegolf die door ons zonnestelsel passeert zal het ruimteweefsel even doen trillen, wat de afstanden tussen de drie goudklompjes zal doen variëren. Met behulp van laser stralen tussen de satellieten zal elke verandering in die onderlinge afstanden tot op een picometer (een miljoenste van een miljoenste meter) nauwkeurig gemeten worden. Zo zal elisa, dankzij de zeer lange armlengtes, gravitatiegolven van een zeer lage frequentie kunnen detecteren. Dit maakt het mogelijk om de evolutie en eigenschappen van de superzware zwarte gaten te bestuderen die zich in de kernen van sterrenstelsels bevinden. Versmeltingen van superzware zwarte gaten zijn veruit de meest energetische fenomenen in het heelal. Het signaal is zo luid dat elisa het zal opvangen tot in de verste uithoeken van het heelal, wat ons in staat zal stellen om de hele ontstaansgeschiedenis van sterrenstelsels -- tien miljard jaar van kosmische evolutie -- te reconstrueren. Mogelijks komen zelfs de gravitatiegolven van uktra-lage frequentie die gepaard gaan met de oerknal zelf in het vizier. De spectaculaire resultaten waarover LIGO onlangs berichtte, zijn dus slechts het prille begin van de gravitationele astronomie. De geschiedenis leert ons dat telkens wetenschappers op een nieuwe manier naar het heelal kijken, dit voor verrassingen zorgt. Ik verwacht dat dit ook ditmaal zo zal zijn. Naar mijn gevoel zal de gravitationele astronomie in een eerste fase de evolutie van het donkere heelal in kaart brengen en daarbij de meest verregaande voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie aan precisietests onderwerpen. Mettertijd zal zij echter ook de limieten van Einsteins wereldbeeld exploreren en in het bijzonder de subtiele manifestatie van de onderliggende kwantumstructuur van het heelal blootleggen, waarin tijd en ruimte naar alle waarschijnlijkheid afgeleide begrippen zijn en plaats maken voor meer fundamentele concepten. Hierin schuilt het ware revolutionaire potentieel van de recente ontdekking van gravitatiegolven.