Aan de universiteit van Leiden wordt in het Kamerlingh Onnes Laboratorium gewerkt aan een uiterst gevoelige bolvormige antenne die zwaartekrachtgolven kan waarnemen. De naam van het project is MiniGrail. Deze antenne is zo gevoelig, dat trillingen met een uitwijking van ongeveer 10−20 meter kunnen worden gedetecteerd.
Anti-zwaartekracht[bewerken | brontekst bewerken]
Vóór Einstein meenden veel natuurkundigen dat er ook anti-zwaartekracht mogelijk was. Met Einsteins theorie verviel hiervoor de noodzaak, omdat er geen tegenhanger voorstelbaar is voor een 'anti' tijd-ruimtecontinuüm vervorming. Maar bij recente metingen aan de kosmische achtergrondstraling is gebleken dat er misschien toch een soort uitdijende kracht in het universum werkzaam is, die de zwaartekracht tegenwerkt. Deze uitdijende kracht is door Einstein de kosmologische constante genoemd en zou veroorzaakt worden door donkere energie.
Problemen met de huidige theorieën van zwaartekracht[7][bewerken | brontekst bewerken]
Ondanks het succes van Newtons zwaartekrachttheorie, die in bijna alle gevallen heel goed voldoet, bleken er aan het eind van de negentiende eeuw, toen meettechnieken steeds preciezer werden, toch verschijnselen te zijn die hiermee niet helemaal te verklaren zijn. Dat werd in het begin van de twintigste eeuw verholpen met Einsteins relativiteitstheorie die een aanscherping is van Newtons theorie. Maar ook met deze verder zeer succesvolle theorie blijken er verschijnselen te zijn die hiermee niet beschreven kunnen worden:
- De banen van de planeten dijen sneller uit dan te verklaren is met verlies van zonsmassa.
- De uitdijing van het heelal lijkt te versnellen, wat moeilijk te verklaren is als er niet een of andere mysterieuze anti-zwaartekracht werkzaam is.
- De baanbeweging van sterrenstelsels kan alleen verklaard worden als er extra onzichtbare massa is (donkere materie). Een alternatieve verklaring voor de extra aantrekkingskracht is een aangepaste zwaartekrachttheorie die volgens onder anderen Erik Verlinde effect heeft op supergrote schaal.
Nieuwe verklaring[bewerken | brontekst bewerken]
De Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde kwam in 2009 en later met een afleiding van Newtons zwaartekrachtwet, uitgaande van het holografisch principe van Gerard 't Hooft.[8][9] Al eerder hadden natuurkundigen als Richard Feynman een verband gelegd tussen zwaartekracht en thermodynamica. Verlinde stelt dat de kracht het gevolg is van het verschil in informatiedichtheid in de ruimte tussen twee elkaar aantrekkende massa's en de ruimte daarbuiten. In drie dimensies neemt deze dichtheid met het kwadraat van de afstand af. Volgens deze theorie is zwaartekracht geen fundamentele kracht, maar het gevolg van microscopische kwantummechanische effecten, die statistisch samen de zwaartekracht opleveren ("entropische zwaartekracht").
De alternatieve zwaartekrachtstheorie (MOND,MOdified Newtonian Dynamics), die al in 1983 door Mordehai Milgrom geformuleerd en is gespecificeerd, is sindsdien niet aangepast door astronomische waarnemingen. In een computermodel onderzoek door de The Stellar Populations and Dynamics Research Group, geleid door professor Pavel Kroupa, werd het ontstaan van een sterrenstelsel, zonder donkere materie nagebootst. De uitkomst is heel goed vergelijkbaar met de waarneembare sterrenstelsels
Zwaartekrachtgolf
In de algemene relativiteitstheorie, een deelgebied van de natuurkunde, is een zwaartekrachtgolf of gravitatiegolf een fluctuatie in de kromming van de ruimtetijd, die zich van de bron af naar buiten voortplant als een golf. In 1916 postuleerde Albert Einstein op basis van zijn theorie van de algemene relativiteitstheorie het bestaan van zwaartekrachtgolven. Het bestaan van zwaartekrachtgolven werd, op basis van directe waarnemingen op 14 september 2015 door het LIGO-project, bevestigd.
Op 3 oktober 2017 werd de Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend aan de Amerikanen Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne wegens hun waarneming van en onderzoek naar zwaartekrachtgolven.[1]
Definitie[bewerken | brontekst bewerken]
| Algemene relativiteitstheorie | |
|---|---|
| (de einstein-vergelijking) | |
De algemene relativiteitstheorie voorspelt niet alleen dat de ruimte gekromd is, maar ook dat er zwaartekrachtgolven bestaan. Zwaartekrachtgolven ontstaan door een (impuls-)beweging van een massa zoals een hemellichaam, doordat de gekromde ruimte verandert rondom het bewegende object. Zwaartekrachtgolven kunnen dan ook optreden bij een grote explosie in het heelal. Zwaartekrachtgolven zijn naar verwachting transversaal, al voorspellen sommige theorieën daarnaast ook longitudinale golven. Zwaartekrachtgolven vervoeren energie als zwaartekracht- of gravitatiestraling.
Indien zwaartekrachtgolven kunnen optreden bij grote explosies in het heelal, dan vertaalt zich dat in een tijdelijke ruimtevermeerdering, die waargenomen kan worden door tijdelijke grotere spectrale roodverschuivingen. Omgekeerd krijg je bij implosies ruimtevermindering, wat zich vertaalt in spectrale blauwverschuiving.
Zwaartekrachtgolven worden onder meer opgewekt als twee zeer zware hemellichamen op korte afstand om elkaar heen draaien. Dat kunnen dubbelstersystemen zijn, bestaande uit witte dwergen, neutronensterren of zwarte gaten. Hoe sneller zij om elkaar heen draaien, hoe "sterker" de zwaartekrachtgolven. Zo lekt er energie weg en gaan beide sterren steeds dichter om elkaar heen draaien.
Meten van zwaartekrachtgolven[bewerken | brontekst bewerken]
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerste indirect waargenomen in 1974 door Russell Hulse en Joseph Taylor. Met de radiotelescoop van Arecibo in Puerto Rico namen ze twee neutronensterren waar, nu bekend als de Hulse-Taylor binaire pulsar, die om elkaar heen draaiden. Omdat de ene component een pulsar was en als klok kon worden gebruikt, waren nauwkeurige metingen van de baan van de twee objecten mogelijk. Op deze manier kon worden vastgesteld dat de baan van de twee objecten kromp, in overeenstemming met Einsteins voorspellingen. Dit is alleen mogelijk als er energie 'weglekt' door de emissie van zwaartekrachtgolven.
Vanaf dat moment werden op verschillende locaties door wetenschappers pogingen gedaan om deze zwaartekrachtgolven direct te meten, iets wat wetenschappers van de LIGO pas in september 2015 lukte. Op 11 februari 2016 is bekendgemaakt dat toen zwaartekrachtgolven zijn gemeten van de botsing en samensmelting van twee zwarte gaten.[2] Nadien zijn nog twee detecties gepubliceerd.[3][4]
Virgo[bewerken | brontekst bewerken]
In 2007 trad de Virgo-detector in werking, een constructie die op het terrein ligt van het European Gravitational Observatory (EGO) bij het Italiaanse Cascina. In deze detector wordt een laserstraal opgesplitst in twee bundels. Een bundel gaat rechtdoor een drie kilometer lange buis in. De andere gaat haaks op de eerste door een andere drie kilometer lange buis. Aan het einde van de buizen worden de bundels middels spiegels teruggekaatst.
Zonder zwaartekrachtgolven zullen de bundels elkaar op hetzelfde punt tegenkomen en is het resultaat neutraal. Bij een zwaartekrachtgolf wordt een buis tijdelijk iets langer, terwijl de andere buis iets korter wordt. Het gevolg is dat de laserstralen niet meer samenvallen, wat door het instrument wordt gedetecteerd.
LIGO[bewerken | brontekst bewerken]
In de Verenigde Staten wordt een vergelijkbaar experiment uitgevoerd, het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Net als bij Virgo maakt LIGO gebruik van een interferometer, bestaande uit twee haaks op elkaar staande buizen van vier kilometer lang. Aanwezigheid van zwaartekrachtgolven verstoren het interferentiepatroon van de lasers en maken de golven meetbaar. LIGO bestaat uit twee identieke detectoren, de ene staat in Livingston (Louisiana) de andere op de Hanford Site in Richland (Washington). Een buitenaards signaal wordt in beide detectoren geregistreerd met een zeer klein tijdverschil.
LISA[bewerken | brontekst bewerken]
De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is een gezamenlijk project van de ruimtevaartorganisaties NASA en ESA voor een toekomstige detector in de ruimte. Het principe achter LISA is dezelfde als bij Virgo en LIGO, namelijk zwaartekrachtgolven meten met een interferometer. Alleen gaat LISA gebruikmaken van drie satellieten in de ruimte op onderlinge afstanden van vijf miljoen kilometer. Elke satelliet heeft twee lasersystemen die onder een hoek staan van 60 graden.
MiniGrail[bewerken | brontekst bewerken]
Ook in Nederland hielden wetenschappers zich bezig met de detectie van zwaartekrachtgolven. Aan de universiteit van Leiden werd in het Kamerlingh Onnes Laboratorium gewerkt aan een uiterst gevoelige bolvormige antenne die zwaartekrachtgolven zou kunnen waarnemen. De naam van het project was MiniGrail. Deze antenne was zo gevoelig, dat trillingen met een uitwijking van ongeveer 10−20 meter zouden kunnen worden gedetecteerd.