Netwerk van ruimteklokken maakt achtergrondkoor van zwaartekrachtgolven hoorbaar

Beeld: Artistieke voorstelling van twee superzware zwarte gaten (linksboven) die in een spiraalbeweging naar elkaar toe bewegen. Credit: Aurore Simonnet for the NANOGrav Collaboration

Dagenlang hield het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, kortweg NANOGrav, de wereld in spanning met de aankondiging dat er op 29 juni groot nieuws te rapen zou vallen. Deze ‘aankondiging van een aankondiging’ kreeg gisteren eindelijk concrete invulling: een netwerk van pulsars heeft het gezoem opgevangen van zwaartekrachtgolven die ontstaan bij de samensmelting van superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels.

LIGO & Virgo

Sinds 2015 detecteren we zwaartekrachtgolven met laserinterferometers zoals LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië. Dat zijn instrumenten die licht in twee onderling loodrechte en even lange buizen sturen. Aan het eind van elke buis staat een spiegel die het licht netjes terug naar afzender stuurt. Die afzender neemt de vorm aan van een detector waarop beide lichtstralen in principe gelijktijdig invallen.

Wanneer een zwaartekrachtgolf voorbijtrekt, is de ruimte in de ene richting even een onooglijk stukje gekrompen en in de andere wat uitgerekt, waardoor beide lichtstralen het detectiescherm niet langer gelijktijdig bereiken.

Dit procedé laat toe om zwaartekrachtgolven van een welbepaald type verschijnselen te meten. Het gaat dan om de samensmelting van twee compacte objecten, zoals zwarte gaten of neutronensterren. Helemaal in lijn met de theorie van Einstein uit 1916 bevat het resulterende samengesmolten object een kleinere massa dan de som van de massa’s individuele objecten voor de fusie. Het verschil is via de befaamde E=mc² omgezet in energie die in de vorm van zwaartekrachtgolven met de lichtsnelheid door het heelal razen.

Pulsars

NANOGrav gaat helemaal anders te werk dan LIGO of Virgo. Aan de basis ligt een specifieke eigenschap van een bijzonder soort hemelobjecten: pulsars, snel ronddraaiende neutronensterren die elektromagnetische straling uitzenden. Als een vuurtoren vangen wij op aarde pulsen op telkens wanneer de straling van de pulsar in onze gezichtslijn komt.

Dr. David Champion, senior scientist aan het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, verduidelijkt: ‘Pulsars zijn uitstekende natuurlijke klokken. We gebruiken de ongelooflijke regelmaat van hun signalen om te zoeken naar minieme veranderingen in hun tikken om het subtiele uitrekken en samendrukken van ruimtetijd door zwaartekrachtgolven uit het verre heelal te detecteren.’

En dat is precies wat nu voor het eerst tot resultaat geleid heeft. Een internationaal team van wetenschappers (inclusief Europese astronomen) bouwde als het ware een mega-zwaartekrachtdetector door voor een reeks pulsars in onze Melkweg het tijdsinterval tussen opeenvolgende pulsen te meten. Ze doorploegden daartoe jarenlange tijdreeksen.

Dat monnikenwerk is nu beloond. Ze vonden kleine variaties in deze tijdsintervallen die ze kunnen toeschrijven aan de vervorming van de ruimtetijd. Door de uitrekking en krimping van de ruimte tussen de aarde en de pulsars komen de energiebundels van de pulsars dan immers net een tikje eerder of later op aarde aan dan verwacht.

Superzware zwarte gaten

Alsof dit nog niet genoeg is, ontsluiten wetenschappers hiermee een nieuwe klasse van verschijnselen die zwaartekrachtgolven genereren. De compacte objecten die we met LIGO en Virgo meten hebben typische massa’s van enkele tientallen keer die van de zon en leiden tot een signaal met een frequentie van enkele tientallen tot honderden Hertz.

NANOGrav daarentegen meet beduidend lagere frequenties – enkele nanoHertz – afkomstig van superzware zwarte gaten. Deze vreemde snuiters bevinden zich typisch in het centrum van sterrenstelsels en hebben massa’s van miljoenen tot miljarden zonsmassa’s. Hun vormingsproces is wetenschappelijk nog veel minder goed begrepen dan dat van de compacte objecten die LIGO en Virgo meten.

In tegenstelling tot de individuele samensmeltingen van zwarte gaten die Virgo en LIGO meten, kan NANOGrav wel geen individuele fusies van deze superzware zwarte gaten meten. Het gaat veeleer om een soort resulterend gezoem dat door een veelheid aan samensmeltingen teweeggebracht wordt.

Nieuw venster op het heelal

Met deze ontdekking is de zwaartekrachtgolfastronomie bezig om haar hooggestemde verwachtingen in te lossen. Complementaire zwaartekrachtgolfdetectoren zullen zich op andere frequentiegebieden toeleggen en andere fenomenen ontsluiten. Naast LIGO en Virgo (en het Japanse KAGRA) en deze NANOGrav verwachten wetenschappers in de loop van het volgende decennium heel wat van de Einsteintelescoop in Europa (zie ook de Eos Special hierover), de Cosmic Explorer in de Verenigde Staten en LISA, een zwaartekrachtgolfdetector in de ruimte.

De aankondiging van NANOGrav stemt Thomas Hertog, kosmoloog aan de KULeuven, dan ook hoopvol: ‘Dit laat opnieuw zien dat waarnemingen met zwaartekrachtgolven een heel nieuw venster op het heelal openen. In de komende jaren en decennia zullen we de hele geschiedenis van het heelal tot in detail kunnen samenstellen door te luisteren naar het geruis van zwaartekrachtgolven die door onze planeet gaan. We gaan spannende tijden tegemoet!’