Natuurkundigen hebben recent een achtergrondsignaal van rimpelingen in de ruimtetijd ontdekt. Deze ons omringende zee van zwaartekrachtgolven zet natuurkundigen op het spoor van exotische verklaringen.

Theoretische natuurkundigen zijn enthousiast over de recente ontdekking van een achtergrondsignaal van zwaartekrachtgolven die het hele universum doordringt. Ze hebben er een scala aan exotische verklaringen voor. Zo zou het signaal een teken kunnen zijn van donkere materie, of nieuw licht kunnen werpen op de allereerste momenten na de oerknal.

‘Er is veel opwinding geweest onder theoretici’, zegt astrofysicus Andrea Mitridate van het California Institute of Technology. Mitridate maakt deel uit van het team dat de achtergrond van zwaartekrachtgolven heeft ontdekt. ‘Om eerlijk te zijn heb ik moeite gehad om alle verschenen artikelen te volgen’, zegt hij.

Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
LEES OOK

Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?

De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.

Pulsars

Op 29 juni kondigden astronomen van het Amerikaanse Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) aan dat ze laagfrequente rimpelingen in de ruimtetijd hadden ontdekt. De gangbare verklaring voor dit achtergrondsignaal is dat het afkomstig is van het samensmelten van kolossale zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels.

Deze rimpelingen beïnvloeden zware, compacte objecten, waaronder snel roterende neutronensterren genaamd pulsars. Pulsars zijn een soort kosmische vuurtorens, die kunnen functioneren als vrijwel perfect lopende kosmische klokken. Astronomen kunnen ze gebruiken om zwaartekrachtgolven te vinden, door te zoeken naar de minieme afwijkingen in de regelmatige lichtflitsen.

Relativiteitstheorie

Het patroon van tijdsverschillen dat NANOGrav heeft waargenomen, komt in de buurt van het patroon dat de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt. Die theorie stelt dat de tijdsverschillen van pulsarparen gemiddeld genomen minder op elkaar zouden moeten lijken naarmate de hoek tussen de twee pulsars groter wordt. De tijdsverschillen van pulsars die aan de hemel ver uit elkaar liggen, zouden dus minder op elkaar lijken dan de tijdverschillen van pulsars die dicht bij elkaar lijken te staan.

Maar er was ook nog een verrassing. De sterkte van het totale signaal bleek toe te nemen naarmate de onderzoekers naar achtergrondgolven met hogere frequenties keken. ‘Wat deze pulsar-waarnemingen laten zien, komt in grote lijnen overeen met wat de modellen voorspellen. Maar het klopt niet precies’, zegt theoretisch natuurkundige John Ellis van King’s College London. ‘Die frequentieafhankelijkheid was niet helemaal wat we verwachtten.’

Die onverwachte toename duidt erop dat de superzware zwarte gaten meer, of krachtigere, zwaartekrachtgolven produceren naarmate ze elkaar dichter naderen. Maar het is niet duidelijk waarom dit zou moeten gebeuren. Ellis en zijn collega’s suggereren dat de zwarte gaten eerst door nabijgelegen gas en sterren moeten ploegen wanneer ze elkaar beginnen te naderen. Daardoor zouden ze energie verliezen die anders zou zijn uitgezonden in de vorm van zwaartekrachtgolven. Naarmate de zwarte gaten dichter bij elkaar komen en de frequentie van de zwaartekrachtgolven toeneemt, zouden de gassen en sterren minder invloed hebben, zodat er meer energie in de zwaartekrachtgolven gaat zitten.

Donkere materie

Andere verklaringen zijn exotischer. Zo stellen sommige theoretici voor dat er een wolk van donkere materie rond de samensmeltende zwarte gaten hangt. Theoretisch fysicus Tom Broadhurst van de Universiteit van Baskenland en zijn collega’s hebben dit idee gesimuleerd met behulp van een eerdere dataset van de NANOGrav. Ze vonden overlap tussen de eerdere metingen en simulaties met donkere materie. Maar ze hadden moeite om de hoogfrequente gegevens van de meest recente metingen te produceren. Een oplossing zou kunnen zijn om samensmeltende zwarte gaten met sterk excentrische banen te simuleren. Maar die mogelijkheid hebben ze nog niet getest met hun simulaties, zegt Broadhurst.

Een opvallend detail in de gegevens is een kleine piek aan de onderkant van het bereik van NANOGrav, in wat verder een relatief vloeiende lijn is. Hoewel het statistisch niet significant genoeg is voor astronomen om er zeker van te zijn dat het echt is, is het onverwacht, zegt astrofysicus Nihan Pol, lid van het NANOGrav-team aan de Vanderbilt Universiteit in Tennessee.

Deze piek zou afkomstig kunnen zijn van een onbekend paar samensmeltende superzware zwarte gaten in de buurt, die deze specifieke frequentie uitzendt. Maar om dit te bevestigen moet er nog minstens vijf jaar aan gegevens worden verzameld, zegt Pol.

Kosmische snaren

Als deze verklaringen niet blijken te kloppen, moeten theoretici zich misschien tot heel andere verklaringen wenden. Eén mogelijkheid bestaat uit kosmische snaren, theoretische objecten die lichtjaren lang zijn, maar dunner dan een proton. Als deze snaren zouden bestaan, dan zouden ze zijn ontstaan toen het vroege heelal een dramatische faseovergang doormaakte. Dit zou vergelijkbaar zijn met de scheuren die soms ontstaan als water bevriest tot ijs: ook een faseovergang.

Ellis en zijn collega’s hebben voorspeld dat wanneer deze snaren botsen, ze een duidelijk zwaartekrachtgolfsignaal zouden moeten produceren, dat gedetecteerd kan worden door NANOGrav. Maar ook deze voorspelling kan het sterkere signaal bij hogere frequenties niet helemaal verklaren.

Klonterende zwarte gaten

Primordiale zwarte gaten worden ook als een mogelijkheid beschouwd. Dit zijn andere veronderstelde bewoners van het vroege universum, die ontstaan zouden zijn uit concentraties van subatomaire materie die zo compact waren dat ze de ruimtetijd deden instorten. Deze zwarte gaten zouden hun eigen unieke zwaartekrachtgolfsignaal hebben geproduceerd, afwijkend van dat van latere superzware zwarte gaten.

Natuurkundige Kai Schmidt-Hoberg van het Duitse nationale laboratorium voor hoge-energiefysica DESY en zijn collega’s simuleerden het soort signaal dat zou kunnen worden geproduceerd door een populatie primordiale zwarte gaten. Ze ontdekten dat deze alleen het waargenomen NANOGrav-signaal kunnen verklaren als de primordiale gaten in het vroege heelal samenklonterden, in plaats van zich gelijkmatig over de kosmos te verspreiden. Maar het is nog onduidelijk waarom primordiale zwarte gaten op deze manier zouden samenklonteren, of wat voor signaal ze dan precies zouden produceren.

Het is ook mogelijk dat meerdere van deze scenario’s tegelijk waar zijn. Om ze uit van elkaar te onderscheiden zijn nieuwe technieken en meetinstrumenten nodig. Eén zo’n meetinstrument is de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), een set van drie ruimtevaartuigen die ontworpen zijn om hogere frequenties dan NANOGrav te detecteren. Bij deze frequenties zijn de voorspellingen van kosmische snaren en superzware zwarte gaten wel goed van elkaar te onderscheiden, zegt Ellis. Maar omdat LISA pas eind 2030 wordt gelanceerd, moeten we nog wel wat geduld hebben.