zwaartekrachtsgolven

De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte.

Zwaartekrachtsgolven bestaan

Een groot moment voor de wetenschap. De laatste grote voorspelling van Einstein, het bestaan van zwaartekrachtsgolven, is nu experimenteel bevestigd door de zwaartekrachtsdetector LIGO.

Wat is een zwaartekrachtsgolf?
Net zoals watergolven als je roert in een stil wateroppervlak, of elektromagnetische golven als je een elektrische lading heen en weer beweegt, ontstaan er volgens de algemene relativiteitstheorie zwaartekrachtsgolven, als er een voorwerp met massa beweegt. Zwaartekrachtsgolven trekken ruimtetijd uit elkaar en/of persen deze samen, als de golf door een stuk ruimte trekt.

De zwaartekracht is de zwakste van de vier elementaire natuurkrachten. Ons lichaam, dat bijeengehouden wordt door de elektromagnetische kracht, kan daarom omhoog springen, tegen het enorme zwaartekrachtsveld van de aarde in. Dat kan, omdat de zwaartekracht van elektronen 1039 maal zwakker is dan de elektromagnetische kracht tussen hen. Omdat positieve en negatieve ladingen elkaar opheffen, maar zwaartekracht alleen maar toeneemt, ligt dat op astronomische schaal totaal anders. Hier is de zwaartekracht veruit de belangrijkste kracht. Het is de zwaartekracht die de aarde en de zon (en het Melkwegstelsel) bij elkaar houdt.

Hoe werkt een zwaartekrachtsdetector?
Het voornaamste effect van een zwaartekrachtsgolf is dat materie beurtelings uit elkaar en in elkaar geduwd wordt. Kortom: afstanden veranderen tijdens een fractie van een seconde. En afstandsveranderingen kan je meten. Zeer nauwkeurig zelfs, met een laserinterferometer. LIGO is in feite een tweetal laserinterferometers, met laserstralen die loodrecht op elkaar staan. Als een trilling wel in de ene arm optreedt en niet in de andere, is het een zwaartekrachtsgolf geweest.

Wat voor object heeft de zwaartekrachtsdetector ontdekt?
De sterkste zwaartekrachtsgolven denkbaar worden opgewekt, als twee extreem zware objecten zeer dicht om elkaar draaien. De zwaarst denkbare objecten zijn zwarte gaten: astronomische objecten die zo zwaar en dicht zijn dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. De ontdekte bron van zwaartekrachtsgolven bestaat uit twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Deze ontdekking is ook op zich groot astronomisch nieuws. De zwarte gaten in kwestie zijn namelijk met respectievelijk 29 en 36 zonsmassa’s middelzwaar, een type dat tot nu toe nog nooit is waargenomen.

De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte.
De bron van de zwaartekrachtsgolven was een tweetal zwarte gaten dat op elkaar crashte. -NASA

De waargenomen zwaartekrachtsgolven vormen de doodskreet van deze zwarte gaten. De aarde draait altijd in dezelfde baan om de zon. Dat komt omdat de uitgestraalde zwaartekrachtsenergie van de aarde heel weinig is: het vermogen van een grote gloeilamp. Alleen al de lichtdruk van het zonlicht (die de aarde naar buiten duwt) is groter dan dit. Dat verandert bij heel snel ronddraaiende zware objecten, zoals deze zwarte gaten. Deze tollen duizenden malen per seconde om elkaar heen en stralen daardoor extreem veel zwaartekrachtsenergie uit: vlak voor de ineenstorting zelfs meer dan de straling van alle sterren in het zichtbare heelal.

Wat kan je met zwaartekrachtsgolven?
Op dit moment is de voornaamste toepassing: astronomische waarnemingen. Zoals al bleek uit deze eerste waarneming. Dit bleek meteen de ontdekking van middelgrote zwarte gaten, die tot nu toe nog nooit waargenomen zijn. Alleen kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s en de reusachtige zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s in het centrum van sterrenstelsels.
Zwaartekrachtsgolven worden niet gehinderd door gas of stof.

Stel, je hebt flink wat yottajoules energie beschikbaar en wat zwarte gaten bij de hand, dan zou je ook zwaartekrachtskogels, zwaartekrachtssolitonen, kunnen maken. Dat is een speciale golf die bij elkaar blijft. Op dit moment het domein van wiskundigen, maar in de verre toekomst praktisch haalbaar. Je zou hiermee zwaartekrachtspulsen kunnen geven. Deze uitspraak is onder voorbehoud: ik heb het boek in kwestie niet gelezen.

Bronnen
New Scientist

‘Supergeleidende antenne kan zwaartekrachtsgolven waarnemen’

Zwaartekrachtsgolven zijn door Einstein voorspelde trillingen in ruimtetijd. Tot nu toe is er nog nooit direct bewijs gevonden voor zwaartekrachtsgolven. Het lijkt er nu op dat er eindelijk een methode is ontdekt om dit spookachtige verschijnsel te ontdekken: een supergeleider.

Zwaartekrachtsgolven bieden kijkje in diepste geheimen van het heelal
Zwaartekrachtsgolven zijn zeer interessant, omdat ze opgewekt worden door buitenissige processen zoals botsende zwarte gaten of zelfs de Big Bang zelf. Ontdekken astronomen zwaartekrachtsgolven, dan biedt dit een rechtstreeks kijkje in de keukengeheimen van de kosmos, waaronder de nog steeds onbeantwoorde vraag wat zwaartekracht precies is. Ook voorspellen bepaalde kosmologische theorieën afwijkend gedrag van zwaartekrachtsgolven. Geen wonder, dat er enorme interesse bestaat in zwaartekrachtsgolven. Ook is het de enige voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie die nog niet direct is bevestigd.

Zwaartekrachtsgolven zeer lastig waar te nemen
Helaas is er een probleem. Weliswaar vervormen zwaartekrachtsgolven ruimtetijd waar ze doorheen reizen maar de gevolgen zijn miniem, denk aan de afmeting van de atoomkern van goud of uranium op een afstand van Amsterdam naar New York. In principe zijn de huidige generatie zwaartekrachtsdetectoren, monsterlijke apparaten tot vier kilometers lang, in staat dit minieme verschil te ‘spotten’. Deze apparaten lijken op een enorme L. Er kaatst voortdurend licht heen en weer dat met zichzelf interfereert. De theorie is dat als een zwaartekrachtsgolf passeert, de ene arm tijdelijk korter wordt dan de andere, dus dat dat het interferentiepatroon zal verstoren. Desondanks is er nog steeds geen zwaartekrachtsgolf rechtstreeks waargenomen.

Supergeleider als extreem gevoelige detector
Armen Gulian van de Chapman University in Maryland en enkele collega’s beschrijven nu een goedkoop, nieuw type detector dat veel compacter is dan dit soort reuzendetectoren. Uiteraard goed nieuws in een tijd van economische neergang. In plaats van op lengteverschillen te testen, maakt deze detector gebruik van een andere eigenschap.

De detector bestaat ui teen grote staaf supergeleidend metaal. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, werkt deze in op alle massa in de staaf, dus zowel de supergeleidende elektronen als de metaalatomen.De grap is dat de atomen in de metalen staaf vastgenageld zitten op hun plaats, maar de elektronen niet. Deze zijn geheel vrij om te stromen. Het gevolg: de zwaartekrachtsgolf zal de elektronen heen en weer slingeren, stellen ze. Een tweede supergeleidende staaf wordt aan een hoekpunt van de eerste staaf gezet (ze vormen dus een L). Als een zwaartekrachtsgolf de eerste staaf samenperst, wordt de tweede staaf uitgerekt. De elektronen in deze staaf zullen nu ook gaan trillen, maar dan uit fase met de eerste staaf. Als beide staven worden verbonden met een ook supergeleidende stroomdraad, moet er een soort wisselstroom ontstaan.

In principe, stelt de groep, (met enkele verfijningen, die nodig zijn vanwege specifieke eigenschappen van supergeleiders) kunnen ze op deze manier met twee staven van ongeveer tien meter lang, zwaartekrachtgolven waarnemen.

Zwaartekrachtsgolf wekt stroom op
Op dit moment zijn er ampèremeters van Hewlett Packard op de markt die stroompjes tot een attoampère kunnen waarnemen. Dat is in principe voldoende om de opgewekte stroom te meten. Elektromagnetische ruis kan uit worden gefilterd door alleen de voorspelde golven uit te filteren. Ook kan de detector in een magnetische fles worden geplaatst om zo alle elektrische en magnetische velden uit te sluiten. NASA heeft nu al een aantal dure missies geschrapt. Zou deze technische vondst de lancering van een goedkope zwaartekrachtsgolfdetector toch mogelijk maken?

Bron:
Armen Gulian et al., Superconducting Antenna Concept for Gravitational Wave Radiation, ArXiv.org (2011)

Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.

Limiet van Heisenberg gekraakt

Experimentatoren zijn er in geslaagd om één van de meest fundamentele natuurkundige barrières te kraken: de onzekerheidslimiet van Heisenberg die bepaalt hoe nauwkeurig we iets kunnen meten. Wat voor nieuwe natuurkunde en techniek liggen nu binnen bereik?

Aan de basis van alle kwantummechanica ligt één natuurconstante: h, de constante van Planck. Dit getal geeft aan hoe precies we een combinatie van twee eigenschappen van een kwantumdeeltje kunnen weten. Hoe preciezer we bijvoorbeeld de energie van een deeltje weten, hoe onzekerder de tijd van het deeltje wordt (er zijn meer combinaties, bijvoorbeeld impuls en plaats). Dit heet de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. In formulevorm: [latex]\Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}[/latex], dus: als de energie bijvoorbeeld twee keer zo nauwkeurig bekend is, wordt de tijd twee keer zo onnauwkeurig bekend.
De paradoxale consequentie: er ‘bestaan’ virtuele deeltjes, omdat we voor een zeer korte tijd niet kunnen uitsluiten dat er deeltjes bestaan in een gegeven ruimte. Inderdaad wijzen experimentele metingen uit dat dat klopt: elektronen, bijvoorbeeld, lijken “afgeschermd” te worden door een wolk spookdeeltjes. Het vacuüm is dus inderdaad gevuld met een ziedende zee van spookdeeltjes met een energie van netto nul…

Bose-Einstein condensaten: koude leidt tot kuddegedrag
Toch blijkt het mogelijk te zijn om de onneembare limiet van Heisenberg te kraken, toonden onderzoekers aan.

Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.
Bose-Einstein condensaat. Hoe lager de temperatuur zakt (rechts), hoe meer atomen zich gaan gedragen als één atoom.

Mario Napolitano en zijn collega’s van het instituut voor fotonische wetenschappen in Barcelona kregen dit huzarenstukje voor elkaar door bijna de complete experimentele trukendoos uit de kast te trekken. Zo fabriceerden ze een zogeheten Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen (rubidium is een zwaar, chemisch erg reactief metaal met een smeltpunt van 39 graden. Je kan er erg makkelijk Bose-Einstein condensaten mee maken). Hoe langzamer een kwantumdeeltje beweegt, hoe langer de golflengte van de bijbehorende waarschijnlijkheidsgolf (m.a.w. hoe onzekerder de plaats). De rubidiumatomen waren zo sterk afgekoeld dat hun waarschijnlijkheidsgolven veranderen in wazige vlekken en ze elkaar gaan overlappen. Dan gebeurt iets uiterst merkwaardigs. De atomen vergeten hierdoor hun afzonderlijke identiteit en vormen één geheel. Einstein en Satyendra Nath Bose, een Indiase natuurkundige, voorspelden het bestaan van deze vorm van materie, maar pas nu is onze koeling goed genoeg om deze bizarre materietoestand te maken. In dit experiment bestond het condensaat uit ongeveer een miljoen atomen.

Traag licht wordt extreem gevoelig
In deze experimenten werd gebruik gemaakt van licht om het uiterst zwakke magnetische veld van de rubidiumatomen te meten. In deze bizarre condensaten verandert de snelheid van licht in een slakkengang. Lichtdeeltjes krijgen als het ware een ‘massa’. Hierdoor gingen de lichtdeeltjes ook op elkaar reageren en konden met elkaar worden verstrengeld. Bij klassieke metingen, waarbij de lichtdeeltjes onderling geen verband hebben, neemt de nauwkeurigheid evenredig toe met het aantal deeltjes. Hangen de lichtdeeltjes met elkaar samen, dan neemt de meetnauwkeurigheid veel sneller toe: met de macht 3/2, dus twee keer zoveel deeltjes betekent dan niet twee keer zo nauwkeurig, maar 2,8 maal zo nauwkeurig. Meer dan de onzekerheidslimiet van Heisenberg eigenlijk toestaat (alhoewel licht zich hier uiteraard als massa gedraagt). Het gevolg hiervan was dat de sterkte van het magnetische veld veel nauwkeuriger bekend werd dan mogelijk was geweest als het licht niet uit met elkaar verstrengelde deeltjes had bestaan.

Zwaartekrachtsgolven jagen voor een prikje
Napolitano en de zijnen willen deze truc nu toepassen om op zwaartekrachtsgolf-jacht te gaan. Zwaartekrachtsgolven worden voorspeld door Einsteins algemene-relativiteitstheorie. Als twee zware voorwerpen (bijvoorbeeld neutronensterren) om elkaar heendraaien, ontstaat er een soort boeggolf van ruimtetijd die zich verspreidt in de ruimte. Als een zwaartekrachtsgolf passeert, wordt alles in zijn baan uitgerekt en dan weer samengeperst, of, anders geformuleerd, wordt de tijd vertraagd en dan weer versneld. Tot frustratie van natuurkundigen is er na een halve eeuw nog niets gevonden wat op een zwaartekrachtsgolf lijkt. Geen wonder: bijvoorbeeld de aarde zendt evenveel zwaartekrachtsenergie uit als een gloeilamp: enkele tientallen watt. Voor je nulpuntsenergiecentrale moet je dus wat anders verzinnen.

Op dit moment staan er peperdure (tegen het miljard dollar) satellieten in de planning die zwaartekrachtsgolven moeten gaan meten. Deze satellieten staan miljoenen kilometers afstand van elkaar. De bedoeling is om op die manier met behulp van een extreem nauwkeurige laserinterferometer vervormingen in de ruimte te kunnen meten. Napolitano en de zijnen denken dat als ze hun ijskoude wolkje atomen opvoeren, ze voor veel minder geld een even gevoelig zwaartekrachtsgolfmetend systeem kunnen bouwen.

Bronnen
New Scientist
Nature, DOI: 10.1038/nature09778)