Er zoemt een ruis van zwaartekrachtsgolven door het heelal

Sterrenkunde Talloze om elkaar heen draaiende zwarte gaten veroorzaken een ruis van zwaartekrachtsgolven. Dat biedt een nieuwe blik op het heelal.

De radiotelescoop van Effelsberg in Duitsland, niet ver van Bonn. Deze telescoop maakt deel uit van de European Pulsar Timing Array, die meedeed aan het onderzoek.
De radiotelescoop van Effelsberg in Duitsland, niet ver van Bonn. Deze telescoop maakt deel uit van de European Pulsar Timing Array, die meedeed aan het onderzoek. Foto N. Tacken/MPIfR

Ze durven nog niet te spreken van een ontdekking, maar astrofysici hebben wel „heel sterke aanwijzingen” gevonden dat er een constante achtergrondruis van zwaartekrachtsgolven aanwezig is in het heelal. De aanwijzingen komen van onafhankelijke onderzoeksgroepen die gebruikmaken van radiotelescopen in de Verenigde Staten, Australië, China, India en Europa. Ze presenteerden donderdag hun resultaten in meerdere wetenschappelijke artikelen die gelijktijdig verschenen op de preprintserver ArXiv.

Deze ultralaagfrequente zwaartekrachtsgolven kunnen een nieuwe blik bieden op het heelal. Dankzij de eerste zwaartekrachtsgolven kunnen sterrenkundigen niet alleen naar het heelal kijken met telescopen, maar er ook naar luisteren, met zwaartekrachtsgolfdetectoren. De ultralaagfrequente zwaartekrachtsgolven breiden dat gehoor uit.

Achtergrondruis

Zwaartekrachtsgolven zijn minieme trillingen van de ruimtetijd, die bijvoorbeeld ontstaan als twee zwarte gaten of compacte neutronensterren botsen. Die trillingen verspreiden zich door het heelal zoals rimpelingen in een vijver als je er een steen in gooit.

Eind 2015 maten de Amerikaanse LIGO-detectoren voor het eerst een zwaartekrachtsgolf, 100 jaar nadat Albert Einstein hun bestaan voorspelde. De zwaartekrachtsgolven die LIGO en andere detectoren, zoals Virgo in Italië, sindsdien hebben waargenomen, duren een fractie van een seconde, hebben een hoge frequentie (enkele tot tienduizend hertz) en worden voornamelijk uitgezonden door botsende zwarte gaten die enkele tientallen malen zwaarder zijn dan de zon.

De nieuwe resultaten gaan over ruimtetijdtrillingen met veel lagere frequenties, van enkele miljardste hertz, die voor een constante achtergrondruis zorgen. Die zijn waarschijnlijk afkomstig van om elkaar draaiende superzware zwarte gaten. Omdat dit een traag proces is en omdat er waarschijnlijk talloze van deze superzware paren zijn, veroorzaken ze een constante ruis van zwaartekrachtsgolven in het heelal.

Kosmische klokken

Zwaartekrachtsgolven met een ultralage frequentie hebben extreem lange golflengtes. Ze strekken zich uit over tienduizenden miljarden kilometers (lichtjaren). Daarom kun je ze niet meten met zwaartekrachtsgolfdetectoren van enkele kilometers lang, zoals LIGO. De astrofysici gebruiken een andere techniek waarbij ze met radiotelescopen pulsars in de gaten houden, snel ronddraaiende sterren.

Een van de groepen die hiermee werken is de European Pulsar Timing Array (EPTA), waar de Westerbork radiotelescoop onderdeel van is. „Bij EPTA hebben we 10 tot 25 jaar lang gemiddeld eens per maand naar 25 pulsars gekeken”, vertelt Emma van der Wateren, promovendus bij het Nederlands Instituut voor Radioastronomie Astron en de Radboud Universiteit. „Die pulsars bevinden zich verspreid over de Melkweg. Dat geeft ons een zwaartekrachtsgolfdetector ter grootte van de Melkweg – groot genoeg voor de ultralaagfrequente zwaartekrachtsgolven.”

Pulsars zijn uitgedoofde zware sterren die razendsnel om hun as draaien terwijl ze een bundel radiostraling uitzenden, als een kosmische vuurtoren. Elke keer als die radiobundel langs de aarde zwiept, detecteren radiotelescopen een radiopuls. Die pulsen zijn heel regelmatig, als het tikken van een kosmische klok, omdat de snelheid waarmee pulsars ronddraaien extreem stabiel is.

Omdat we zoeken naar zwaartekrachtsgolven met een periode van weken of jaren, moeten we lang meten

Gemma Janssen astrofysicus

Om zwaartekrachtsgolven te detecteren zoeken astrofysici naar een kleine afwijking in de pulsen van zogeheten millisecondepulsars: pulsars met elke paar milliseconden een radiopuls. Een langsdeinende zwaartekrachtsgolf zorgt er namelijk voor dat de ruimtetijd – en dus de afstand – tussen de aarde en pulsar tijdelijk een piepklein beetje krimpt en uitrekt, slechts een meter per 9,5 biljoen kilometer. Daardoor komen de radiopulsen iets eerder of later aan.

„Omdat we zoeken naar zwaartekrachtsgolven met een periode van weken of jaren, moeten we lang meten”, vertelt astrofysicus Gemma Janssen, eveneens Astron en de Radboud Universiteit. „Het is detectie in slow motion.”

Veelbelovend

Maar nu is het zover. Janssen: „We hebben heel sterke aanwijzingen gevonden voor het bestaan van een achtergrondruis van ultralaagfrequente zwaartekrachtsgolven.”

De andere onderzoeksgroepen komen met vergelijkbare resultaten. De Amerikaanse samenwerking NANOGrav verzamelde in 15 jaar metingen van 68 pulsars. De Australische Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) heeft 18 tot 21 jaar data van 32 pulsars. En de Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) keek 41 maanden naar 57 pulsars. NANOGrav is iets zekerder dan EPTA en spreekt over „zeer sterk bewijs”. Maar ook zij vinden het nog te vroeg om over een ontdekking te spreken.

Het is een fantastische alternatieve manier om naar het heelal te kijken

Chris Van Den Broeck Universiteit Utrecht

„Het ziet er veelbelovend uit”, zegt Chris Van Den Broeck, van de Universiteit Utrecht, onderzoeksinstituut Nikhef en betrokken bij de Virgo- en LIGO-detectoren. „Ik denk dat ze binnenkort echt van een ontdekking kunnen spreken. Dat zou interessant zijn, want het is een fantastische alternatieve manier om naar het heelal te kijken met zwaartekrachtsgolven.”

De eerste detectie van ultralaagfrequente zwaartekrachtsgolven is namelijk pas het begin. Van der Wateren: „Dan kunnen we ze gaan gebruiken om bijvoorbeeld meer te leren over het ontstaan van superzware zwarte gaten en de sterrenstelsels waarin ze huizen.”