Het kosmisch orkest dat (nog) niemand kan horen

Op miljoenen lichtjaren afstand botsen twee zwarte gaten tegen elkaar met zo’n energie dat zij de ruimte doen trillen. Dat gaat gepaard met een reusachtige kracht. We zien zelfs sporen daarvan tot op onze wereldbol. Deze botsende zwarte gaten zijn niet alleen. Er zijn continu duizenden duo’s van hemellichamen die de ruimte doen vibreren in een kosmisch orkest.

Zwarte gaten zijn erg compacte overblijfselen van zware sterren - minstens 30 keer zo zwaar als onze zon - die zo hard sleuren aan hun omgeving dat niets hun invloed kan ontsnappen, zelfs licht niet. Daardoor zien zij er zwart uit.

Enkele botsingen vangen we op als individuele knallen, een solist die even boven de muziek uitstijgt. Maar het volledige sterrenorkest, een gecombineerd geroezemoes van alle botsingen samen, horen we nog niet. Dat probeerde ik op te vangen in mijn doctoraat.

Rimpelingen van de ruimte

Wanneer twee zwarte gaten in een steeds kleiner wordende spiraal naar elkaar toe bewegen en samensmelten, zenden ze een zwaartekrachtgolf uit. Dit zijn rimpelingen van de ruimte zelf. Zij maken de afstand tussen twee punten, bijvoorbeeld tussen mezelf en de bakkerij, telkens kleiner en dan weer groter wanneer ze na hun lange reis door het universum hier passeren tijdens een zondagse zoektocht naar koffiekoeken.

Nochtans heb ik nog nooit gemerkt dat ik langer of sneller kuierde naar de bakker. Dat komt omdat de verschillen in afstanden die we meten maar liefst een biljard keer kleiner zijn dan een menselijk haar - dat is een 1 met vijftien(!) nullen. Dit is te vergelijken met een mier ten opzichte van de afstand van de zon tot de aarde, een slordige 150 miljoen kilometer.

Twee samensmeltende zwarte gaten. Foto: ESA

Elk jaar botsen miljoenen koppels zwarte gaten op elkaar. Al die botsingen tezamen is het sterrenorkest, wat we als fysici de achtergrond van zwaartekrachtgolven noemen. Dit orkest is voortdurend aanwezig in het universum en toch bereiken de melodieën van zijn instrumenten ons momenteel niet. Dit komt doordat onze ontvangers op aarde nog niet helemaal afgesteld zijn op hun muziek. De sterkte van het samenspel is nog te zwak om hier gehoord te worden. Dat ontdekken zal ons nochtans veel verklappen over wie er allemaal in het sterrenorkest meespeelt.

Welk instrument speelt welke rol?

De massa van een zwart gat weerspiegelt de massa van de ster waaruit die ontstaan is. Die is op zijn beurt een afspiegeling van de omstandigheden waaronder die ster gevormd is. Uit de achtergrond lees je af hoe sterren (niet) gevormd zijn en in welke kosmische omgevingen ze (niet) voorkomen.

Uit de waargenomen solisten van het orkest zagen we al dat er een piek bestaat van zwarte gaten met een massa rond 35 keer de massa van de zon. Dat is een veelzeggend detail. In het sterrenorkest kunnen bijvoorbeeld de violen dezelfde bouw en dezelfde resonanties hebben. Dit vertelt je iets over hun maker, namelijk dat ze Stradivariussen zijn.

Zo is die piek een handtekening van de sterren waaruit deze zwarte gaten zijn geboren. Dat geeft een direct spoor naar de oorsprong van de sterren: waar ze vandaan komen, hoe ze stierven in explosies genaamd (super)nova’s en waarom ze zwarte gaten achterlieten.

Daar stopt het niet. Het orkest kan ook afstammen van het gefluister van processen tijdens de allereerste tellen na de oerknal. Dit is de Heilige Graal van de zoektocht naar de achtergrond, want hier zullen we nieuwe fysica vinden.

Van het observeren van de nagalm van donkere materie - materie die geen licht uitzendt en we enkel indirect observeren door de impact van zijn massa op onder andere sterren - tot het beter begrijpen van inflatie, de periode juist na de oerknal waar het universum extreem snel uitzet van een kleine bal tot zijn huidige immense vorm, het is allemaal mogelijk dankzij de achtergrond.

Dat komt doordat zwaartekrachtgolven ongehinderd door het vroege heelal reizen, ook gedurende de eerste seconden na de oerknal waar licht nog niet bestaat. Daardoor vergaren we meer informatie over deze oudste momenten van het universum dan met telescopen zoals James Webb.

De schreeuw van de stilte

Tijdens mijn doctoraat observeerde ik de achtergrond niet, want onze ontvangers waren nog niet sterk genoeg om het orkest op te vangen. Dat wil niet zeggen dat we hieruit niets leren, integendeel. Op basis van wat we al weten over hoe vaak zwarte gaten samensmelten, schatten we hoe hard ons kosmisch orkest moet klinken.

Nu horen we een stilte en speelt het orkest zachter dan je verwacht. Dat noemen we een bovengrens: een waarde die je berekent op basis van wat je niet meet. In mijn doctoraat heb ik die verder aangescherpt dan ooit, zodat bepaalde modellen van hoe zwarte gaten verdeeld zijn over het heelal uitgesloten zijn. Stilte schreeuwt dus ook, want als je kunt berekenen hoe hard het orkest zou moeten klinken en je hoort niets, weet je dat er iets schokt met je verwachtingen en ook dat is informatie.

Tegelijkertijd combineer ik die bovengrenzen met de individuele botsingen - de solisten - die we wél hebben waargenomen. Door die twee samen te brengen, kan je de verschillende massa’s van zwarte gaten, en hoeveel keer ze voorkomen in het heelal, ramen. Het is alsof je het orkest niet hoort, maar uit de stilte kan afleiden welke instrumenten er niet in kunnen zitten, bijvoorbeeld een erg luide trommel.

Het orkest wordt hoorbaar

De volgende generatie detectoren is al in aantocht. De Einstein Telescope, een Europees wetenschappelijk project met onder meer België als kandidaat-gastland, zal tien keer beter luisteren naar ons orkest dan de huidige generatie. Zo leren we over hoe sterren leven, sterven en in welke sterrenstelsels ze ontspruiten. Maar ook de zwaartekrachtgolven die ontstaan tijdens de oerknal zullen gemeten worden.

Dit kan de huidige fysica op zijn kop zetten door het karakter te doorgronden van onder andere inflatie en donkere materie. De achtergrond is het enige rechtstreekse venster op die allereerste seconden. En we beginnen er net op te kloppen.

Max Lalleman dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2026. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.