Bestaan zwaartekrachtgolven aangetoond
Exact honderd jaar na hun voorspelling door Albert Einstein is het bestaan van zwaartekrachtgolven aangetoond. Spiegeltjes op een afstand van 4 km toonden een minimale verplaatsing van minder dan een miljardste nanometer.
Het vandaag door onderzoekers van het Amerikaanse Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bekend gemaakte resultaat is zonder meer een mijlpaal in de wetenschappelijke geschiedenis van de mensheid, vergelijkbaar met de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012. Wat beide gemeen hebben is dat van een theoretisch postulaat, puur op basis van het doorredeneren op de wetten van de natuur, is aangetoond dat het zich in de natuur ook werkelijk voordoet.
De zwaartegolven zijn voor het eerst gepostuleerd door Albert Einstein in zijn Algemene Relativiteitstheorie waarover hij in 1915 publiceerde. Einstein toonde daarin de samenhang tussen zwaartekracht, ruimte en tijd. Volgens zijn theorie heeft bewegende massa invloed op zowel ruimte als tijd.
Het beeld dat het beste past bij zijn theorie is zwaartekracht voor te stellen als de kromming van de ruimtetijd. In die kromming variëren zowel de tijd, en wel zo dat de lichtsnelheid steeds constant blijft. Waar de afstand voor een waarnemer groter is, gaat de tijd langzamer en omgekeerd.
Verandert die zwaartekracht, dan verandert de ruimtetijdkromming mee. Onder bepaalde omstandigheden, bijvoorbeeld wanneer in het heelal twee zwarte gaten met elkaar samensmelten, kan dit leiden tot rimpelingen in de ruimtetijdkromme die zich als zwaartekrachtgolven voortplanten.
Het effect op aarde als zo’n zwaartekrachtgolf passeert is dat in de ene richting afstand bijvoorbeeld iets kleiner worden, en haaks erop iets groter, en dat in een oscillerende beweging tot het effect van de golf is uitgedoofd.
Het is precies die afstandsverandering die nu door de onderzoekers van LIGO is gemeten, een prestatie van formaat. Want wat het waarnemen van zwaartekrachtgolven zo lastig maakt is dat het effect omgekeerd evenredig is met de afstand van de oorsprong, wat betekent dat het effect op aarde in de orde van 1 op 1021 is. Om toch iets te kunnen meten hebben de LIGO-detectoren twee armen van elk 4 km, die loodrecht op elkaar staan. De verplaatsing op het uiteinde van die armen is in de orde van een miljardste nanometer. Het betekent dat de meting uiterst nauwkeurig moet zijn en alle mogelijke verstoring die van aarde afkomstig zijn moeten worden weggefilterd.
De meting van LIGO is gebaseerd op het bundelen van twee laserstralen. LIGO splitst een laserbundel in tweeën, keert de fase van een van beide om, en stuurt ze vervolgens naar een spiegel aan het uiteinde van de twee loodrecht op elkaar staande armen. Wanneer beide weerkaatste laserstralen weer samenkomen, doven ze elkaar uit omdat de beide armen exact even lang zijn. Wanneer een zwaartekrachtgolf een van beide armen oprekt en de andere inkrimpt, dan vallen beide weerkaatste laserstralen niet meer samen en resulteert er een lichtsignaal.
De detector heeft van 2002 tot 2010 zonder resultaat gemeten. Daarop is besloten de meetnauwkeurigheid te vergroten door alle factoren die ruis veroorzaken aan te pakken, waardoor de detectoren drie keer gevoeliger zijn. Daarmee is afgelopen september het signaal gemeten dat wijst op een passerende zwaartekrachtgolf.
Omdat LIGO bestaat uit twee van die twee-armige detectoren op grote afstand van elkaar, de ene in Livingstone (Louisiana) en de andere in Hanford (Washington State) kon de zwaartekrachtgolf gelijktijdig worden waargenomen, wat de bewijskracht een stuk groter maakt.
