Wat zijn zwaartekrachtgolven?
Zwaartekrachtgolven zijn veranderingen in het zwaartekrachtveld die zich voortplanten
Gepolariseerde zwaartekrachtgolf
In de algemene relativiteitstheorie, maar ook inDe meeste andere moderne bronnen geven aan dat zwaartekrachtgolven ontstaan door de beweging van massieve lichamen met variabele versnelling. Zwaartekrachtgolven planten zich vrijelijk voort in de ruimte met de snelheid van het licht. Ze zijn erg klein van formaat en moeilijk te registreren.
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst ontdektin september 2015 ontdekten twee dubbele detectoren van het LIGO-observatorium zwaartekrachtgolven die waarschijnlijk het gevolg waren van de samensmelting van twee zwarte gaten en de vorming van nog een massief roterend zwart gat.
Elke dubbelster terwijl zijn componenten roterenrond een gemeenschappelijk massamiddelpunt verliest energie (zoals wordt aangenomen - als gevolg van de straling van zwaartekrachtgolven) en smelt uiteindelijk samen. Maar voor gewone, niet-compacte dubbelsterren duurt dit proces erg lang, veel langer dan de huidige leeftijd van het heelal.
Als het dubbele compactsysteem bestaat uitparen neutronensterren, zwarte gaten of een combinatie van beide, de fusie kan over een paar miljoen jaar plaatsvinden. In eerste instantie naderen de objecten elkaar en neemt hun omlooptijd af. Dan, in de laatste fase, is er een botsing en een asymmetrische gravitationele instorting. Dit proces duurt een fractie van een seconde, en gedurende deze tijd komt energie vrij in gravitatiestraling, die volgens sommige schattingen meer dan 50% van de massa van het systeem uitmaakt.
Hoe worden gravitatiegolven gevonden?
Het is vrij moeilijk om zwaartekrachtgolven te detecteren vanwege hun zwakte. De apparaten om ze te registreren zijn zwaartekrachtgolfdetectoren. Sinds eind jaren zestig worden er detectiepogingen ondernomen.
Zwaartekrachtgolven met detecteerbare amplitudeworden geboren tijdens de ineenstorting van een dubbele pulsar. Soortgelijke gebeurtenissen vinden ongeveer eens in de tien jaar plaats in de omgeving van ons sterrenstelsel. De sterkste en meest voorkomende bronnen van zwaartekrachtgolven voor zwaartekrachttelescopen en antennes zijn catastrofes die verband houden met de ineenstorting van binaire systemen in nabijgelegen sterrenstelsels. Er wordt verwacht dat in de nabije toekomst verschillende soortgelijke gebeurtenissen per jaar zullen worden geregistreerd door verbeterde zwaartekrachtdetectoren, waardoor de metriek in de omgeving van de aarde met 10−21-10−23 zal worden verstoord.
Twee lichamen bewegen in cirkelvormige banen rond een gemeenschappelijk massamiddelpunt
Nieuwe manieren om gravitatiegolven te detecteren
In 2017 voerden wetenschappers een experiment uit onderHet Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) heeft de Nobelprijs voor de natuurkunde gewonnen voor de allereerste directe detectie van zwaartekrachtgolven die worden geproduceerd door de fusie van twee zwarte gaten op ongeveer 1,3 miljard lichtjaar van de aarde. De golven die door deze botsing werden gegenereerd, schonden de zwaartekrachtgolfachtergrond van het universum en bereikten de aarde.
Naast dergelijke eenmalige sterke storingen,die astrofysici al hebben geleerd op te lossen, er is een zogenaamde achtergrond van zwaartekrachtgolven - een constante stroom zwaartekrachtstraling, die volgens de theorie constant de aarde wast.
Nog een mogelijkheid om de achtergrond te ontdekkenvan zwaartekrachtgolven die het heelal vullen, is een zeer nauwkeurige timing van verre pulsars - een analyse van de aankomsttijd van hun pulsen, die op een karakteristieke manier veranderen onder invloed van zwaartekrachtgolven die door de ruimte tussen de aarde en de pulsar gaan.
Vanaf 2013 wordt de nauwkeurigheid van de timing geschat opmoet met ongeveer één orde van grootte worden verhoogd om achtergrondgolven uit vele bronnen in ons heelal te kunnen detecteren, en deze taak kan vóór het einde van het decennium worden opgelost. Maar het passeren van een zwaartekrachtgolf zou, met een paar nanoseconden, het tijdstip waarop deze uitbarstingen worden geregistreerd enigszins moeten veranderen. Door de timing van verre pulsars nauwkeurig te volgen, is het dus theoretisch mogelijk om de zwaartekrachtsgolfachtergrond van het sterrenstelsel te detecteren. Dit wordt bevestigd door voorlopige resultaten van het NANOGrav-project.
Welke nieuwe zwaartekrachtgolven hebben wetenschappers gevonden?
Wetenschappers zeiden dat ze tekenen van constante zwaartekrachtstraling konden detecteren die door het heelal gaat en het weefsel van de ruimte-tijd vervormt.
We hebben een sterk signaal gevonden in onze dataset. We kunnen nog niet zeggen dat dit achtergrondzwaartekrachtgolven zijn, maar ons doel komt steeds dichterbij.
Joseph Simon, astrofysicus en hoofdauteur van het artikel
Volgens de auteurs geen ander observatoriumin staat om achtergrondzwaartekrachtgolven te detecteren, omdat ze gericht zijn op het zoeken naar eenmalige gebeurtenissen die enkele seconden duren. Als onderdeel van het experiment hebben wetenschappers gedurende meerdere jaren 45 pulsars gevolgd - en hebben ze al tekenen gevonden van kleine veranderingen in hun frequentie. Pulsars kunnen worden vergeleken met galactische vuurtorens die constant op dezelfde plek staan.
We zijn op zoek naar golven die jaren of decennia aanhouden.Volgens de theorie veroorzaken galactische fusies en andere kosmologische gebeurtenissen een constante uitbarsting van enorme zwaartekrachtgolven. Het duurt jaren of zelfs langer voordat zo’n golf de aarde passeert. Om deze reden kunnen geen andere bestaande experimenten ze rechtstreeks detecteren.
Joseph Simon, astrofysicus en hoofdauteur van het artikel
De passerende zwaartekrachtgolven verandereneen stabiel lichtpatroon dat afkomstig is van pulsars, waardoor de relatieve afstanden die deze stralen door de ruimte reizen, toenemen of afnemen. Met andere woorden, wetenschappers kunnen theoretisch de achtergrond van zwaartekrachtgolven detecteren door gecorreleerde veranderingen in het tijdstip van aankomst van pulsarstraling op aarde te volgen.
Wat doen deze zwaartekrachtgolven?
Passerende zwaartekrachtgolven verandereneen stabiel lichtpatroon afkomstig van pulsars, waardoor de relatieve afstanden die deze stralen door de ruimte afleggen groter of kleiner worden. Met andere woorden: wetenschappers zouden theoretisch de achtergrond van zwaartekrachtgolven kunnen detecteren door gecorreleerde veranderingen in de aankomsttijden van pulsarstraling op aarde te volgen. Dit is echter niet voldoende voor definitieve conclusies. Daarom hebben astronomen plannen aangekondigd om IPTA te creëren, een netwerk van instrumenten dat het mogelijk zal maken dergelijke afwijkingen voor een groot aantal pulsars te detecteren.
Detectie van de zwaartekrachtgolfachtergrond zal zijneen grote stap voorwaarts, maar slechts een eerste stap. De volgende fase zal de ontdekking van hun bronnen zijn, en dan al het nieuwe dat ze ons over het heelal kunnen vertellen.
Joseph Simon, astrofysicus en hoofdauteur van het artikel
Lees verder
Onderzoek: mensen zullen geen superintelligente AI-machines kunnen besturen
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen
Bekijk de mooiste foto's van Hubble. Wat heeft de telescoop in 30 jaar gezien?