Gravitatiegolven tonen ons de donkere jeugd van het heelal

Nieuwe gigantische detectoren zullen gravitatiegolven meten die al miljarden jaren door de ruimte rollen. De oudste dateren van voor de eerste sterren en kunnen ons nieuwe kennis opleveren over de duistere geheimen van het heelal.

Nieuwe gigantische detectoren zullen gravitatiegolven meten die al miljarden jaren door de ruimte rollen. De oudste dateren van voor de eerste sterren en kunnen ons nieuwe kennis opleveren over de duistere geheimen van het heelal.

Claus Lunau

Toen Galileo Galilei op 7 januari 1610 zijn nieuwe telescoop op Jupiter richtte, was hij de eerste die drie van de grootste manen van de gasreus zag: een revolutie in de astronomie. Maar de kijker van de oude meester was een speeltje vergeleken met de geavanceerde telescopen van nu, die het hele zichtbare heelal in kaart brengen en de ontwikkeling van sterrenstelsels traceren tot aan de vorming van de eerste sterren.

Nu staan astronomen op de drempel van een nieuw tijdperk, waarin we, dankzij baanbrekende technologie, voor het eerst de donkere kant van het heelal kunnen zien die een gewone telescoop niet ziet.

Cruciaal zijn de zogeheten gravitatiegolven, die de ruimte doen trillen wanneer grote, compacte massa’s als zwarte gaten en neutronensterren heftig versnellen of instorten.

In 2015 zijn twee detectoren in de VS er voor het eerst in geslaagd gravitatiegolven op te vangen. De golven zijn afkomstig van twee versmeltende zwarte gaten in een nabij sterrenstelsel.

Nieuwe detectoren moeten licht werpen op donkere materie en donkere energie.

De ontdekking was een sensatie, maar al over enkele tientallen jaren zullen de twee detectoren even verouderd en primitief lijken als Galilei’s kijker voor ons. Er komen nieuwe en veel gevoeligere detectoren aan die gravitatiegolven kunnen opsporen van gebeurtenissen van veel verder weg en langer geleden.

De nieuwe detectoren zullen ons iets vertellen over de donkere jeugd van het heelal, toen er nog geen sterren waren. En ze belichten twee belangrijke verschijnselen die de ontwikkeling van het heelal bepalen. Een daarvan is de onbekende donkere materie die we niet kunnen zien, maar die alle gewone materie in sterrenstelsels bijeenhoudt door haar zwaartekracht. De andere is de mysterieuze donkere energie, die ervoor zorgt dat het heelal steeds sneller uitdijt.

Zwarte gaten vervormen de aarde

Gravitatiegolven van zwarte gaten die in het vroege heelal zijn samengesmolten, zullen ons helpen beide verschijnselen te begrijpen.

Zwarte gaten

Wanneer twee zwarte gaten dicht om elkaar heen draaien en uiteindelijk versmelten, zenden ze gravitatiegolven uit die door de ruimte rollen en deze vervormen.

© Mark Garlick/Getty Images

Wanneer gravitatiegolven van een botsing tussen twee zwarte gaten door de aarde rollen, zorgen ze ervoor dat de planeet ritmisch uitzet en inkrimpt. Het effect is miniem, dus de detectoren moeten het verschil kunnen meten tot op een honderdduizendste nanometer.

De huidige detectoren – interferometers genoemd – zijn L-vormig en hebben 3 of 4 kilometer lange armen waar laserpulsen doorheen gaan. Aan het eind van de twee armen bevindt zich een spiegel die de pulsen naar het midden van de detector terugkaatst, waar de bundels elkaar weer ontmoeten en op elkaar inwerken.

Normaal treedt negatieve interferentie op en heffen de lichtgolven elkaar op, maar wanneer een gravitatiegolf door het toestel rolt, verandert de lengte van de armen iets en komen de spiegels in beweging. Hierdoor verschuiven de laserpulsen ten opzichte van elkaar, waardoor positieve interferentie ontstaat: ze versterken elkaar en vormen een patroon. De detector registreert dit.

Gravitatiegolfdetectoren, ofwel interferometers, hebben twee lange armen. Daarin lopen laserpulsen naar spiegels aan de uiteinden, die ze weerkaatsen. Als ze weer bij elkaar komen, verraadt hun patroon of er een gravitatiegolf is gepasseerd.

Gravitatiegolven
© Nicolle R. Fuller/SPL

1. Laserstraal splitst zich in tweeën

Een laserstraal (rood) wordt door een lens gesplitst in twee bundels, die in tegengestelde richting naar de spiegels aan de uiteinden van de 3 à 4 kilometer lange armen lopen. Bij terugkomst worden ze via de lens naar de lichtdetector geleid.

Gravitatiegolven
© Nicolle R. Fuller/SPL

2. Laserstralen doven elkaar

De interferometer wordt zo ingesteld dat de lichtgolven van de twee laserstralen in tegenfase zijn. Het resultaat is zogeheten negatieve interferentie, waarbij de twee laserstralen elkaar opheffen.

Gravitatiegolven
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

3. Gravitatiegolf komt aanrollen

Wanneer een gravitatiegolf door de detector rolt, wordt de ene arm iets langer en de andere iets korter. Daarom zijn hun lichtgolven verschoven ten opzichte van elkaar wanneer ze terugkeren.

Gravitatiegolven
© Nicolle R. Fuller/SPL & Getty Images

4. Detector vangt de golf op

Als de gravitatiegolf sterk genoeg is, worden de laserstralen zo ver verschoven dat hun lichtgolven in fase gaan. Het resultaat is positieve interferentie, waarbij ze elkaar versterken, en zo komt de gravitatiegolf aan het licht.

De twee Amerikaanse detectoren met de naam LIGO, die in 2015 de eerste gravitatiegolven hebben opgepikt, staan 3000 kilometer uit elkaar, waardoor valse signalen van plaatselijke aardschokken geen rol kunnen spelen.

In juni 2017 werd de Europese Virgo-detector in Italië in gebruik genomen, en in 2020 voegt de Japanse KAGRA-detector zich bij het team, waardoor er vier detectoren verspreid over de wereld staan.

Detectoren werken samen

Wanneer gravitatiegolven de hele aardbol in trilling brengen, wordt het signaal in alle detectoren tegelijk geregistreerd. Dit maakt het mogelijk te bepalen van welke kant de golven komen, en dus waar aan de hemel astronomen moeten zoeken naar hun bron.

Gravitatiegolven

De Japanse detector KAGRA is de nieuwste die in gebruik is genomen – en de eerste die onder de grond is gebouwd.

© KAGRA Observatory

In de eerste zes jaar van het gravitatiegolftijdperk hebben onderzoekers 50 botsingen tussen zwarte gaten en twee botsingen tussen neutronensterren waargenomen. Na een upgrade van de detectoren kunnen de waarnemingen in 2022 weer beginnen, en naar verwachting zullen ze zo eens per week gravitatiegolven van een nieuwe botsing registreren.

Maar het blijven gravitatiegolven uit een beperkt deel van het heelal. Als we golven van verder weg – en dus vroeger – willen opvangen, zijn nieuwe detectoren nodig.

Hoe verder weg in tijd en ruimte een botsing tussen twee zwarte gaten heeft plaatsgevonden, hoe zwakker de gravitatiegolven zijn die de aarde in trilling brengen.

De volgende generatie detectoren moet daarom 10 keer zo gevoelig zijn als de huidige, die gravitatiegolven van de afgelopen 8 à 9 miljard jaar kunnen opvangen. Met de nieuwe detectoren zullen wetenschappers gravitatiegolven kunnen detecteren van botsingen die 4 miljard jaar eerder plaatsvonden, kort na de [oerknal] 13,8 miljard jaar geleden.

Zowel in de VS als in Europa streven astrofysici ernaar om rond 2035 nieuwe detectoren klaar te hebben. Amerika wil de gevoeligheid van de Cosmic Explorer vertienvoudigen door de armen 40 kilometer lang te maken. Want hoe langer de armen zijn, hoe zwakker de gravitatiegolven mogen zijn die de detector nog kan opvangen.

Dat wordt een hele klus, want de armen moeten kaarsrecht zijn. Maar de aardbodem kromt zich, dus als het kruispunt van de poten van de L op maaiveldhoogte komt, moeten de uiteinden van de armen op 30 meter hoge pijlers rusten. Daarom hopen wetenschappers een geschikte komvormige vallei te vinden, waarmee er minder pijlers nodig zijn.

Europese detector wordt driehoekig

Terwijl de Cosmic Explorer nog op de tekentafel ligt, is het ontwerp van de Europese Einstein Telescope, die technologisch veel innoverender zal zijn, al een stuk verder. De detector zal niet de vorm van een L krijgen, maar van een gelijkzijdige driehoek met zijden van 10 kilometer lang.

De Einstein Telescope zal elk jaar een miljoen botsingen van zwarte gaten ontdekken.

Vanuit elke hoek van de driehoek kunnen laserpulsen twee kanten op worden afgevuurd, en daarom krijgt de detector niet één maar drie interferometers – of zelfs vijf, want de onderzoekers willen er nog twee aan toevoegen die met laserpulsen van andere golflengten werken.

Het gevaarte komt 200-300 meter onder de grond, waar aardbevingen honderden malen minder storen dan aan de oppervlakte. De spiegels moeten worden gekoeld tot 10-20 °C boven het absolute nulpunt om de trillingen door kleine temperatuursveranderingen tot een minimum te beperken.

Dankzij de ultieme ruisonderdrukking is de Einstein Telescope gevoeliger dan de Cosmic Explorer, al zijn de armen korter. Natuurkundigen schatten dat de Europese detector per jaar wel een miljoen botsingen van zwarte gaten, die zich bijna de gehele levensduur van het heelal hebben voorgedaan, zal kunnen opvangen.

Gravitatiegolven

De Einstein Telescope komt 200-300 meter onder de grond – op het Italiaanse eiland Sardinië of vlak bij Vaals.

© NIKHEF

Nieuwe Europese detector neemt het voortouw

De Europese detector Einstein Telescope zal niet de grootste zijn, maar dankzij drie innovaties wordt hij wel nauwkeuriger, gevoeliger en flexibeler dan de andere.

Gravitatiegolven
© Shutterstock/BiM

1. Driehoek toont bron van de golven

De Einstein Telescope vormt een driehoek, en vanuit elke hoek worden laserstralen twee kanten op geschoten. Wanneer alle drie de detectoren signalen van dezelfde gravitatiegolf oppikken, valt na te gaan waar die vandaan komt.

Spiegel
© NIKHEF

2. Ultrakoude spiegels vergroten gevoeligheid

De spiegels in de hoeken van de driehoek worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Daardoor zijn ze minder gevoelig voor temperatuursinvloeden van buitenaf. Dit maakt de Einstein Telescope tot de meest gevoelige.

Gravitatiegolven
© NIKHEF

3. Extra detectoren zorgen voor breder zicht

Naast de drie detectoren die gravitatiegolven van botsingen tussen gewone zwarte gaten meten, is er ruimte voor nog twee detectoren (blauw), die langere gravitatiegolven kunnen opvangen van botsingen die kort na de oerknal hebben plaatsgevonden.

Twee locaties wedijveren om het wonder te huisvesten. De ene is het gebied rond Vaals tussen Maastricht in Nederland en Luik in België, de andere is het Italiaanse eiland Sardinië. De locatie zal in 2024 worden gekozen en de bouw van de tunnel zal in 2026 beginnen. Als alles goed gaat, gaan de waarnemingen in 2035 van start.

Op zoek naar eerste zwarte gaten

De Einstein Telescope zal kunnen terugkijken tot 100 miljoen jaar na de oerknal, toen er nog niet eens sterren waren.

Als zwarte gaten toen al met elkaar botsten, bewijst dit dat er vlak na de oerknal enorme aantallen van zijn ontstaan, zoals nieuwe theorieën voorspellen. Als dat zo is, bevatten de oude zwarte gaten de oplossing van twee van de grootste mysteries van de kosmologie.

Het eerste raadsel is de verrassend vroege vorming van gigantische superzware zwarte gaten in het hart van de eerste grote sterrenstelsels. Astronomen hebben onlangs gas ontdekt rond een zwart gat met 800 miljoen keer de massa van de zon.

Het zwarte gat is zo ver weg dat de straling van de gassen er ruim 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Dat betekent dat het zwarte gat slechts 690 miljoen jaar na de oerknal is ontstaan, wat het klassieke model voor het ontstaan van superzware zwarte gaten aan het wankelen brengt.

De theorie is dat de vroegste reuzensterren explodeerden als supernova’s toen het heelal 250-350 miljoen jaar oud was. De explosies lieten zwarte gaten achter met een massa tot 100 zonnemassa’s, die later botsten, samensmolten, gas aanzogen en groeiden. Het probleem is dat de groei veel te langzaam ging om het vroege superzware gat te verklaren.

De situatie zou anders zijn als het heelal vanaf het prille begin zwarte gaten bevatte, van minder dan één tot 10.000 zonnemassa’s groot. Dan zouden de oude zwarte gaten genoeg tijd hebben gehad om uit te groeien tot de superzware monsters die astronomen nu zien in het hart van de eerste sterrenstelsels. Maar daarvoor moeten de oorspronkelijke zwarte gaten gevormd zijn voordat er sterren ontstonden.

Het heelal

Superzware zwarte gaten in zeer verre sterrenstelsels zitten astronomen dwars – ze zijn veel te groot voor hun leeftijd.

© Shutterstock

De nieuwe theorie over de oorspronkelijke zwarte gaten opent ook de mogelijkheid dat sommige nog steeds vrij in de ruimte bestaan en de donkere materie in sterrenstelsels vormen die wetenschappers al tientallen jaren proberen te duiden.

De donkere materie van het heelal heeft vier tot vijf keer zo veel massa als alle sterren, planeten, gassen en stof – dus alle zichtbare materie – bij elkaar. We kunnen donkere materie niet rechtstreeks zien omdat ze geen straling uitzendt, maar we kunnen wel zien dat ze met haar zwaartekracht de zichtbare materie beïnvloedt.

Zonder een flinke dosis donkere materie zouden sterrenstelsels uiteenvallen, want door hun rotatie zouden de buitenste sterren al snel alle kanten op vliegen.

VIDEO: Bekijk de Einstein Telescope vanbinnen

Als we kunnen verklaren waar donkere materie uit bestaat, zullen we dus ook weten hoe sterrenstelsels überhaupt kunnen bestaan. Als het om kleine en middelgrote zwarte gaten gaat die vanaf het begin hebben gefungeerd als kiem voor sterrenstelsels, zal de Einstein Telescope ze kunnen registreren door gravitatiegolven op te vangen van vroege botsingen tussen die zwarte gaten.

Detector wordt groter dan de aarde

Maar zelfs de Einstein Telescope zal zijn beperkingen hebben. Waarnemingen van botsingen tussen superzware zwarte gaten met miljoenen of miljarden zonnemassa’s kan hij niet aan, en andere detectoren op aarde overigens ook niet.

De reden is dat de gravitatiegolven van de allergrootste botsingen in het heelal een golflengte hebben die langer is dan de diameter van de aarde, zodat we de ruimte in moeten om ze op te vangen. En dat wil ESA dan ook met een toekomstige gravitatiegolfdetector, de Laser Interferometer Space Antenna LISA genaamd.

De detector zal bestaan uit drie satellieten die laserpulsen naar elkaar zenden. Net als de Einstein Telescope zullen deze een gelijkzijdige driehoek vormen, maar met zijden die wel 5 miljoen kilometer lang zijn. Met de LISA, die in 2034 wordt gelanceerd, kunnen onderzoekers terugkijken naar de tijd waarin de eerste superzware gaten werden gevormd en hun botsingen volgen tot op heden.

Gravitatiegolven

Toekomstige detectoren zullen oudere gravitatiegolven opvangen dan de huidige. De Einstein Telescope gaat het verst terug in de tijd en meet golven die nog geen 0,1 miljard jaar na de oerknal zijn ontstaan.

© NAOJ & Shutterstock

De waarnemingen zullen aantonen hoe superzware zwarte gaten tijdens botsingen tussen sterrenstelsels eerst om elkaar heen draaien en uiteindelijk instorten. Dit zal astronomen helpen te begrijpen hoe die botsingen tussen de zwaargewichten de verdeling van sterren in sterrenstelsels beïnvloeden en tot stervorming leiden.

De Einstein Telescope en de LISA kunnen diepe inzichten geven in de vorming en ontwikkeling van sterrenstelsels, maar dat is nog niet alles – de detectoren kunnen wellicht ook het grootste mysterie van de kosmologie oplossen: donkere energie.

Golven duiden op groei van het heelal

Zelfs als we weten waaruit donkere materie bestaat, kunnen we nog ruim tweederde van de inhoud van het heelal niet verklaren. Donkere en gewone materie vormen samen slechts 32 procent. De overige 68 procent is donkere energie, die verantwoordelijk is voor de uitdijing van het heelal.

Donkere energie heeft altijd moeten worstelen met de zwaartekracht, die de clusters van sterrenstelsels in het heelal naar elkaar toe probeert te trekken. Maar ze kreeg 5 à 6 miljard jaar geleden de overhand, versnelde de uitdijing van het heelal en dreef de stelselclusters uiteen.

Gravitatiegolven diagram

Slechts vijf procent van het heelal is zichtbaar voor ons. De rest is donkere materie (27 procent) en donkere energie (68 procent).

© BiM

Kosmologen weten nog steeds niet wat donkere energie is en waarom de effecten ervan in de loop der tijd zijn toegenomen. Om daarachter te komen, hebben we allereerst nauwkeurige metingen nodig van de snelheid waarmee het heelal is uitgedijd, en ook daarbij worden de nieuwe gravitatiegolfdetectoren ingezet.

Zwaartekrachtgolven rollen door de ruimte met precies de snelheid van het licht, en hun sterkte neemt evenredig af met de afstand. Door deze twee eigenschappen kunnen ze dienen als maatstaf om de afstand tot de bron van de golven te bepalen.

En als de onderzoekers eenmaal het sterrenstelsel hebben gelokaliseerd waar de gravitatiegolven vandaan komen, kunnen ze ook het licht meten dat van dat sterrenstelsel komt en zien hoeveel langer de lichtgolven zijn geworden op hun weg naar ons toe als gevolg van de uitdijing van het heelal. Bij elkaar zal uit de getallen blijken hoeveel het heelal is uitgedijd sinds de twee zwarte gaten die de gravitatiegolven veroorzaakten, zijn gebotst.

Duizenden of zelfs miljoenen van zulke metingen kunnen tot in detail vertellen hoe het heelal sinds het begin der tijden is gegroeid – en wellicht wat donkere energie is en hoe die werkt.

Daarmee kunnen de nieuwe gravitatiegolfdetectoren een doorbraak in de astronomie en de kosmologie teweegbrengen die vergelijkbaar is met de revolutie die Galileo Galilei veroorzaakte toen hij ruim 400 jaar geleden voor het eerst door zijn kijker keek.