We dobberen op een zee van zwaartekrachtgolven, veroorzaakt door talloze koppels van superzware zwarte gaten die langzaam samensmelten. Dankzij jarenlange nauwkeurige metingen van kosmische vuurtorens hebben astronomen het bestaan van deze achtergrondgolven nu bijna definitief bewezen.

Astronomen hebben waarschijnlijk voor het eerst zwaartekrachtgolven gemeten die afkomstig zijn van samensmeltende superzware zwarte gaten. Door tientallen jaren te kijken naar rondtollende neutronensterren ontdekten ze de rimpelingen in de ruimtetijd die een heleboel van deze kosmische koppels samen veroorzaken. Deze ‘zee van zwaartekrachtgolven’ kan nieuwe inzichten geven in onder andere het ontstaan van de duistere giganten.

De resultaten van het onderzoek zijn vandaag gepresenteerd door vijf astronomische collaboraties die samen de International Pulsar Timing Array vormen: het Europese EPTA, het Indiase InPTA, het Australische PPTA, het Chinese CPTA en het Amerikaanse NANOGrav. Ook staan ze beschreven in een reeks artikelen in vakblad Astrophysical Journal Letters.

Er is meer onderzoek nodig naar het effect van ruimtevaart op het brein
LEES OOK

Er is meer onderzoek nodig naar het effect van ruimtevaart op het brein

Om veilig te ruimtereizen, moeten we in beeld krijgen hoe een leven zonder aardse zwaartekracht de hersenen beïnvloedt, stelt Elisa Raffaella Ferrè.

Kosmische dans

Zwaartekrachtgolven zijn trillingen van de ruimtetijd, vergelijkbaar met de golven die je ziet wanneer je een steen in een vijver gooit. Ze ontstaan bij heftige kosmische gebeurtenissen zoals het botsen van zwarte gaten. 

De afgelopen jaren zijn met de LIGO- en Virgo-detectoren al zo’n negentig zwaartekrachtgolven gemeten. Dat zijn allemaal golven van enkele kilometers lang. De meeste zijn gevormd bij botsingen tussen stellaire zwarte gaten, de compacte overblijfselen van zware sterren die zijn ontploft. Zo’n zwart gat is hooguit enkele tientallen keren zo zwaar als de zon.

Daarnaast bestaan er ook superzware zwarte gaten. Die bevinden zich in de centra van sterrenstelsels en zijn miljoenen tot miljarden keren zo zwaar als de zon. Ook deze joekels komen elkaar soms tegen. Op allerlei plekken in het heelal zijn er sterrenstelsels die langzaam naar elkaar toe draaien en uiteindelijk samensmelten.

Bij zo’n kosmische dans komen eveneens zwaartekrachtgolven vrij. Hoewel die een miljoen keer zo sterk zijn als de golven die bij kleine botsingen ontstaan, waren ze tot nu toe onmeetbaar. Dit soort golven zijn namelijk maar liefst enkele lichtjaren lang. Dat gaat gepaard met een zeer lage frequentie: er zit soms wel tientallen jaren tussen een top en een dal. Hierdoor vallen deze zwaartekrachtgolven buiten het bereik van LIGO en Virgo.  

Achtergrondmuziek

De astronomen hebben geen zwaartekrachtgolven van een specifiek koppel van superzware zwarte gaten gemeten. Wel vonden ze bewijs voor een gecombineerd signaal van allerlei langgerekte golven, afkomstig van een heleboel kosmische samensmeltingen. Deze zwaartekrachtgolven vormen samen een soort achtergrondmuziek die overal in het heelal aanwezig is – de gravitational wave background (GWB).

zwaartekrachtgolven pulsars
De radiosignalen van rondtollende neutronensterren worden beïnvloed door zwaartekrachtgolven afkomstig van samensmeltende superzware zwarte gaten. Beeld: Aurore Simonnet / NANOGrav Collaboration

De afgelopen jaren kwamen astronomen al steeds dichter bij de ontdekking van de GWB. De kans dat ze onverhoopt slechts ruis hebben gemeten, is nu bij alle datasets kleiner dan 1 op 1000, en bij sommige datasets zelfs kleiner dan 1 op 10.000, vertelt NANOGrav-onderzoeker Stephen Taylor. Daarmee is nog niet de statistische drempel overschreden waarbij je officieel van een ‘ontdekking’ mag spreken – die ligt op 1 op 3,5 miljoen. De onderzoekers houden het vooralsnog dus op evidence, oftewel ‘bewijs’. Maar Taylor verwacht dat de mijlpaal alsnog snel zal worden bereikt wanneer de metingen van de verschillende teams zullen worden gecombineerd.

Ook Chris Van Den Broeck, zwaartekrachtgolfonderzoeker aan de Universiteit Utrecht en het Amsterdamse fysica-instituut Nikhef, heeft goede hoop dat we binnenkort écht van een ontdekking mogen spreken. ‘Ik denk dat we daar dichtbij zijn. Ik ben hier echt enthousiast over, ik vind het heel spannend’, zegt hij.

Archeologie

De achtergrondzwaartekrachtgolven bieden astronomen een nieuw venster op het heelal. Ze laten zien hoeveel koppels van superzware zwarte gaten er ongeveer zijn en wat voor massa’s die zoal hebben. NANOGrav-onderzoeker Chiara Mingarelli schat op basis van de huidige gegevens dat het heelal misschien wel meer dan een miljoen van zulke koppels bevat.

Van Den Broeck vergelijkt dit type onderzoek met archeologie. ‘Pas als je genoeg verschillende objecten hebt gevonden, kun je iets zeggen over een bepaalde cultuur’, zegt hij. ‘Met LIGO en Virgo, en straks met de Einstein Telescoop, kunnen we kleinere zwarte gaten bestuderen. Met deze pulsar timing arrays kunnen we superzware zwarte gaten bestuderen die nog vrij ver bij elkaar vandaan zijn. Als daar later LISA nog bijkomt, kunnen we ook het moment van hun samensmelting bekijken.’

Uit al die metingen samen hopen astronomen af te leiden hoe superzware zwarte gaten aan hun gigantische proporties zijn gekomen. Want dat is tot dusver een groot raadsel. ‘Waren ze al groot bij hun ontstaan? Of waren het eerst zwarte gaten van stellaire massa, en zijn ze door allerlei samensmeltingen stap voor stap steeds groter geworden? We weten niet voor welke manier het universum heeft gekozen’, zegt Van den Broeck.

Door verschillende versies van het heelal te simuleren, met verschillende soorten zwarte gaten, kunnen astronomen dit mysterie mogelijk ontrafelen. Dan kunnen ze het GWB-signaal dat in die simulaties opduikt namelijk vergelijken met het echte signaal.

Silent disco

De GWB is ontdekt dankzij heel nauwkeurige metingen van pulsars. Dat zijn neutronensterren die razendsnel ronddraaien – ongeveer even snel als een blender. Door die draaiing zijn het een soort kosmische vuurtorens: eens in de zoveel milliseconden sturen ze een bundel radiogolven naar de aarde toe.

De tijd tussen twee signalen is meestal exact hetzelfde. Wanneer we op aarde een afwijking meten, dan moet er iets gebeurd zijn in het gebied tussen ons en de pulsar. Een van de mogelijkheden is dat een passerende zwaartekrachtgolf de ruimtetijd heeft vervormd. In dat geval doen de radiosignalen er tijdelijk korter of langer over om ons te bereiken.

pulsars aarde timing
Pulsars versturen voortdurend radiosignalen naar de aarde. De zee van zwaartekrachtsgolven waarin wij ons bevinden, veroorzaakt minieme afwijkingen in het ritme van die signalen. Beeld: NANOGrav/T. Klein

Je kunt deze meetmethode vergelijken met het op afstand bekijken van een silent disco. Als iemand met een koptelefoon op in een ander ritme gaat dansen, weet je dat de achtergrondmuziek op een bepaalde manier is veranderd, ook al hoor je die zelf niet. Net zo kunnen afwijkingen in het ritme van pulsarsignalen het bestaan van de GWB verraden.

De tijdsafwijkingen die zwaartekrachtgolven veroorzaken, zijn echter minder dan een miljoenste van een seconde. Dat maakt ze heel moeilijk te meten. Bovendien hoeft niet elke afwijking door de GWB veroorzaakt te zijn. Het pulsarsignaal kan bijvoorbeeld ook onderweg naar de aarde door een passerende gaswolk zijn vertraagd. Je hebt dus pas bewijs voor de achtergrondgolven wanneer meerdere uiteenliggende pulsars dezelfde afwijking vertonen. Dan is het net alsof meerdere silent-discogangers op dezelfde nieuwe maat gaan dansen.

Individuele instrumenten

Met allerlei radiotelescopen wereldwijd, waaronder de Westerbork Synthese Radio Telescoop van het Nederlandse instituut ASTRON, bestudeerden astronomen jarenlang pulsar timing arrays: verzamelingen van tientallen pulsars verspreid over de Melkweg. De teams keken onafhankelijk van elkaar naar verschillende sets van pulsars. Zo vonden ze allemaal sterke aanwijzingen voor het bestaan van de GWB.

Westerbork Synthese Radio Telescoop
De radioschotels van de Westerbork Synthese Radio Telescoop. Beeld: Wikimedia Commons / Onderwijsgek (CC BY-SA 2.5 NL)

Uiteindelijk verwachten de onderzoekers via de pulsarsignalen ook zwaartekrachtgolven van specifieke koppels van superzware zwarte gaten te identificeren. ‘De eerste gegevens vertelden ons dat we iets hoorden. Nu weten we dat dit de muziek is van het gravitationele universum’, zegt astrofysicus Xavier Siemens, co-directeur van NANOGrav. ‘Als we blijven luisteren, zullen in dit kosmische orkest ook individuele instrumenten naar voren komen.’

Kosmische inflatie

Het is nog niet zeker dat het gecombineerde signaal van zwaartekrachtgolven volledig is toe te schrijven aan samensmeltende superzware zwarte gaten. ‘De GWB klinkt pakweg twee keer zo luid als ik had verwacht’, zegt Mingarelli. ‘Het zit echt tegen de bovengrens aan van wat onze computermodellen produceren als er alleen maar superzware zwarte gaten aan bijdragen.’

Dat biedt ruimte voor de intrigerende optie dat in het signaal ook tekenen van primordiale zwaartekrachtgolven verstopt zitten. Dat zijn krachtige golven die binnen een fractie van een seconde na de oerknal moeten zijn ontstaan, toen het heelal een periode van razendsnelle groei doormaakte. Een meting van primordiale zwaartekrachtgolven zou het eerste directe bewijs zijn voor deze kosmische inflatie.

Volgens Van Den Broeck zou zo’n vondst vergelijkbaar zijn met de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling. Dat is de straling die zo’n 380.000 jaar na de oerknal is ontstaan en nu nog steeds overal meetbaar is, zodat ze astronomen veel inzicht geeft in het vroege heelal. ‘Ik hoop zeker op de vondst van primordiale zwaartekrachtgolven, omdat die nog veel korter na de oerknal zijn ontstaan’, zegt Van Den Broeck. ‘Maar zelfs als ze een component vormen van het signaal, zal het nog vele jaren duren voordat we die kunnen onderscheiden.’

Big Bounce

Daarnaast zijn er in theorie nog exotischere bronnen van langgerekte zwaartekrachtgolven die aan het signaal zouden kunnen bijdragen. Primordiale zwarte gaten bijvoorbeeld: kleine zwarte gaten die al binnen een paar seconden na de oerknal zouden zijn gevormd. Of kosmische snaren: een soort scheurtjes in de ruimtetijd die volgens de snaartheorie in het vroege heelal zijn ontstaan. Of de ineenstorting van een vorig heelal, waaruit volgens de Big Bounce-theorie het huidige heelal is voortgekomen.

Dit soort theorieën zijn vaak uiterst speculatief en vooralsnog onmogelijk te bewijzen of te ontkrachten. Daar zal het onderzoek naar de GWB hoogstwaarschijnlijk niet snel verandering in brengen. Toch denkt NANOGrav-onderzoeker Luke Kelley dat het deze theorieën wel verder kan helpen. ‘Ook als deze verschijnselen niet bijdragen aan het signaal, kunnen we dankzij de metingen dit soort theorieën aan strakkere voorwaarden onderwerpen’, zegt hij.