In de
algemene relativiteitstheorie
, een deelgebied van de
natuurkunde
, is een
zwaartekrachtgolf
of
gravitatiegolf
een fluctuatie in de
kromming
van de
ruimtetijd
, die zich van de bron af naar buiten voortplant als een
golf
. In 1916 postuleerde
Albert Einstein
op basis van zijn theorie van de algemene relativiteitstheorie het bestaan van zwaartekrachtgolven. Het bestaan van zwaartekrachtgolven werd, op basis van directe waarnemingen op 14 september 2015 door het
LIGO-project
, bevestigd.
Op 3 oktober 2017 werd de
Nobelprijs voor Natuurkunde
toegekend aan de Amerikanen
Rainer Weiss
,
Barry Barish
en
Kip Thorne
wegens hun waarneming van en onderzoek naar zwaartekrachtgolven.
[1]
De algemene relativiteitstheorie voorspelt niet alleen dat de ruimte gekromd is, maar ook dat er zwaartekrachtgolven bestaan. Zwaartekrachtgolven worden uitgezonden door objecten die aan
versnelling
onderhevig zijn. Zwaartekrachtgolven zijn naar verwachting
transversaal
, al voorspellen sommige theorieen daarnaast ook
longitudinale golven
. Zwaartekrachtgolven vervoeren
energie
als zwaartekracht- of gravitatiestraling.
Zwaartekrachtgolven worden onder meer opgewekt als twee zeer zware hemellichamen op korte afstand om elkaar heen draaien. Dat kunnen
dubbelstersystemen
zijn, bestaande uit
witte dwergen
,
neutronensterren
of
zwarte gaten
. Hoe sneller zij om elkaar heen draaien, hoe "sterker" de zwaartekrachtgolven. Zo lekt er energie weg en gaan beide sterren steeds dichter om elkaar heen draaien.
Zwaartekrachtgolven kunnen ook optreden bij een grote explosie in het heelal. Indien zwaartekrachtgolven kunnen optreden bij grote explosies in het heelal, dan vertaalt zich dat in een tijdelijke ruimtevermeerdering, die waargenomen kan worden door tijdelijke grotere spectrale
roodverschuivingen
. Omgekeerd krijg je bij implosies ruimtevermindering, wat zich vertaalt in spectrale blauwverschuiving.
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst indirect waargenomen in 1974 door
Russell Hulse
en
Joseph Taylor
. Met de radiotelescoop van
Arecibo
in
Puerto Rico
namen ze twee neutronensterren waar, nu bekend als de
Hulse-Taylor binaire pulsar
, die om elkaar heen draaiden. Omdat de ene component een pulsar was en als klok kon worden gebruikt, waren nauwkeurige metingen van de baan van de twee objecten mogelijk. Op deze manier kon worden vastgesteld dat de baan van de twee objecten kromp, in overeenstemming met Einsteins voorspellingen. Dit is alleen mogelijk als er energie 'weglekt' door de emissie van zwaartekrachtgolven.
Vanaf dat moment werden op verschillende locaties door wetenschappers pogingen gedaan om deze zwaartekrachtgolven direct te meten, iets wat wetenschappers van de
LIGO
pas in september 2015 lukte. Op 11 februari 2016 is bekendgemaakt dat toen zwaartekrachtgolven zijn gemeten van de botsing en samensmelting van twee zwarte gaten.
[2]
Nadien zijn nog twee detecties gepubliceerd.
[3]
[4]
De onderzoekers van LIGO, VIRGO en KAGRA hebben in November 2021 resultaten bekendgemaakt van nog 90 andere waarnemingen.
In 2007 trad de Virgo-detector in werking, een constructie die op het terrein ligt van het
European Gravitational Observatory
(EGO) bij het Italiaanse
Cascina
. In deze detector wordt een
laserstraal
opgesplitst in twee bundels. Een bundel gaat rechtdoor een drie kilometer lange buis in. De andere gaat haaks op de eerste door een andere drie kilometer lange buis. Aan het einde van de buizen worden de bundels middels spiegels teruggekaatst.
Zonder zwaartekrachtgolven zullen de bundels elkaar op hetzelfde punt tegenkomen en is het resultaat neutraal. Bij een zwaartekrachtgolf wordt een buis tijdelijk iets langer, terwijl de andere buis iets korter wordt. Het gevolg is dat de laserstralen niet meer samenvallen, wat door het instrument wordt gedetecteerd.
Zie
LIGO
voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
In de
Verenigde Staten
wordt een vergelijkbaar experiment uitgevoerd, het
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
(LIGO). Net als bij Virgo maakt LIGO gebruik van een
interferometer
, bestaande uit twee haaks op elkaar staande buizen van vier kilometer lang. Aanwezigheid van zwaartekrachtgolven verstoren het interferentiepatroon van de lasers en maken de golven meetbaar. LIGO bestaat uit twee identieke detectoren, de ene staat in
Livingston (Louisiana)
de andere op de
Hanford Site
in
Richland (Washington)
. Een buitenaards signaal wordt in beide detectoren geregistreerd met een zeer klein tijdverschil.
Zie
LISA
voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
De
Laser Interferometer Space Antenna
(LISA) is een gezamenlijk project van de ruimtevaartorganisaties NASA en ESA voor een toekomstige detector in de ruimte. Het principe achter LISA is dezelfde als bij Virgo en LIGO, namelijk zwaartekrachtgolven meten met een interferometer. Alleen gaat LISA gebruikmaken van drie satellieten in de ruimte op onderlinge afstanden van vijf miljoen kilometer. Elke satelliet heeft twee lasersystemen die onder een hoek staan van 60 graden.
Zie
MiniGrail
voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Ook in Nederland hielden wetenschappers zich bezig met de detectie van zwaartekrachtgolven. Aan de
universiteit van Leiden
werd in het
Kamerlingh Onnes Laboratorium
gewerkt aan een uiterst gevoelige bolvormige
antenne
die zwaartekrachtgolven zou kunnen waarnemen. De naam van het project was
MiniGrail
. Deze antenne was zo gevoelig, dat trillingen met een uitwijking van ongeveer 10
?20
meter zouden kunnen worden gedetecteerd.
Bronnen, noten en/of referenties
- Hekkenberg, Ans
(2013).
Op zoek naar Einsteins golven
.
NWT Magazine
81
(4): 37-41.
- Bergia, Silvio
(2000).
Einstein ? Kwanta en relativiteit: revolutie in de natuurkunde
. Natuur & Techniek, Veen magazines, Amsterdam, pp. 136-138.
ISBN 90-7698803X
.
- ↑
Nobelprijs Natuurkunde voor onderzoek zwaartekrachtgolven
- ↑
B.P. Abbott
et al.
(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration).
"Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger."
Physical Review Letters
vol. 116 nr. 6 (12 Feb. 2016),
DOI
:
10.1103/PhysRevLett.116.061102
- ↑
B.P. Abbott
et al.
(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration).
"GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence"
Physical Review Letters
vol. 116 nr. 24 (15 Juni 2016),
DOI
:
10.1103/PhysRevLett.116.241103
- ↑
B.P. Abbott
et al.
(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration).
"GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2"
Physical Review Letters
vol. 118 nr. 22 (1 Juni 2017),
DOI
:
10.1103/PhysRevLett.118.221101
|