Astronomen staan op het punt om de zee van achtergrondzwaartekrachtgolven te meten die waarschijnlijk door het heelal deint. Nieuwe meetresultaten van verschillende onderzoeksgroepen duiden daarop.

Zwaartekrachtgolven zijn trillingen van de ruimtetijd. Ze worden bijvoorbeeld veroorzaakt door het samensmelten van zwarte gaten. Deze trillingen verspreiden zich door het heelal zoals de rimpelingen in het water van een vijver als je er een steen in gooit.

In 2015 werden zwaartekrachtgolven voor het eerst waargenomen op aarde met de Amerikaanse LIGO-detectoren. Sindsdien heeft de Italiaanse Virgo-detector zich bij de zoektocht gevoegd en zijn er enkele tientallen van deze golven gemeten. De waargenomen zwaartekrachtgolven zijn allemaal afkomstig van zwarte gaten of neutronensterren die op een relatief kleine afstand van de aarde samensmolten.

‘Beelden van zwarte gaten kunnen leiden tot ingrijpende ontdekkingen’
LEES OOK

‘Beelden van zwarte gaten kunnen leiden tot ingrijpende ontdekkingen’

Sera Markoff werkte mee aan de iconische eerste foto van een zwart gat. Haar volgende doel: bewegende beelden van zwarte gaten.

Zee van zwaartekrachtgolven

Maar er zijn ook andere kosmische gebeurtenissen waarbij zwaartekrachtgolven ontstaan, zoals om elkaar cirkelende, superzware zwarte gaten. Omdat deze zwarte gaten – in elk geval voorlopig – niet eindigen in een botsing, is dit een constante bron van zwaartekrachtgolven. En omdat er talloze paren van dansende superzware zwarte gaten bestaan, zou het gehele universum een beetje moeten deinen. De aarde en alle andere hemellichamen klotsen op en neer op deze zee van zwaartekrachtgolven. Dit noemen astronomen de gravitational wave background, of kortweg GWB.

Deze ruimtetijdtrillingen hebben veel langere golflengtes (en dus lagere frequenties) dan die van samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren. Daardoor kunnen de LIGO- en Virgo-detectoren deze signalen niet meten.

Meten met pulsars

Astronomen werken daarom al jaren aan een andere techniek. Ze proberen zwaartekrachtgolven te meten door heel nauwkeurig pulsars in de gaten te houden. Dit zijn neutronensterren die razendsnel ronddraaien en onderwijl radiostraling uitzenden, als een kosmische vuurtoren.

‘Elke keer wanneer de bundel radiostraling van een pulsar langs de aarde zwiept, detecteren we dat als een radiopuls’, zegt astronoom Siyuan Chen van de Europese Pulsar Timing Array (EPTA), en de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). ‘De regelmaat waarmee pulsars om hun as draaien is extreem stabiel, als het tikken van een klok. Van de zogeheten milliseconde-pulsars kunnen we de aankomsttijd van de radiopulsen in onze telescoop meten met een nauwkeurigheid van een miljoenste van een seconde.’

Als de afstand tussen de aarde en de pulsar verandert, dan komen de radiopulsen eerder of later bij ons aan. Ze moeten dan namelijk langer of korter reizen om de telescoop te bereiken. Die afstand verandert doordat de aarde om haar as draait en om de zon. Daarnaast verandert de afstand tot de pulsar als er een zwaartekrachtgolf voorbij deint, die de ruimtetijd tijdelijk uitrekt en krimpt.

Door heel nauwkeurig de radiopulsen van allerlei pulsars in het heelal te meten en te corrigeren voor de beweging van de aarde, kunnen astronomen dus de zwakke deining van de GWB meten. Maar dat is niet eenvoudig. ‘Het lastigste is om zeker te weten dat wat we meten een zwaartekrachtgolf is’, zegt Chen. ‘Daarvoor moeten we alle andere mogelijkheden die een verandering kunnen veroorzaken in de afstand tussen ons en de pulsars uitsluiten.’

Goede hoop

Vorige jaar presenteerden astronomen van het project NANOGrav de eerste tekenen van de GWB. Deze resultaten worden nu bevestigd door een andere set pulsarmetingen. Dat in beide datasets een vergelijkbaar signaal gevonden is, is veelbelovend. ‘Maar het is nog niet het definitieve bewijs’, zegt Chen. ‘Wel hebben we goede hoop dat dat bewijs zeer binnenkort gevonden wordt.’

De astronomen verwachten dat ze binnen twee jaar, door het analyseren van bestaande metingen, het bestaan van de zee van achtergrondzwaartekrachtgolven kunnen bevestigen.