Er is geluid in de ruimte, dankzij zwaartekrachtsgolven

Er wordt al lang gezegd dat er geen geluid is in de ruimte, en dat is waar, tot op zekere hoogte. Conventioneel geluid vereist een medium om doorheen te reizen, en ontstaat wanneer deeltjes zich samenpersen en in elkaar overgaan, waardoor er van alles ontstaat, van een luide “knal” voor een enkele puls tot een consistente toon voor herhalende patronen. In de ruimte, waar zo weinig deeltjes zijn dat dergelijke signalen wegsterven, zwijgen zelfs zonnevlammen, supernova’s, samensmeltingen van zwarte gaten en andere kosmische catastrofes voordat ze ooit gehoord worden. Maar er is een ander soort compressie-en-verdichting dat niets anders vereist dan het weefsel van de ruimte zelf om doorheen te reizen: gravitatiegolven. Dankzij de eerste positieve detectieresultaten van LIGO kunnen we het heelal voor het eerst horen.

Gravitatiegolven waren iets dat moest bestaan om onze zwaartekrachtstheorie consistent te laten zijn, volgens de Algemene Relativiteit. In tegenstelling tot de zwaartekracht van Newton, waar twee massa’s die om elkaar heen draaien voor altijd in die configuratie zouden blijven, voorspelde Einsteins theorie dat gravitatiebanen na een voldoende lange tijd in verval zouden raken. Voor iets als de aarde die om de zon draait, zou je dat nooit meer meemaken: het zou 10150 jaar duren voordat de aarde in de zon zou draaien. Maar voor extremere systemen, zoals twee neutronensterren die om elkaar heen draaien, kunnen we de banen in de loop van de tijd zien vervallen. Om energie te behouden, voorspelde Einsteins zwaartekrachttheorie dat energie moet worden afgevoerd in de vorm van zwaartekrachtgolven.

De golven zijn verbijsterend zwak, en hun effecten op de objecten in de ruimtetijd zijn verbijsterend klein. Maar als je weet hoe je ernaar moet luisteren – net zoals de onderdelen van een radio weten hoe ze moeten luisteren naar die lichtgolven met een lange frequentie – kun je deze signalen detecteren en ze horen zoals je elk ander geluid zou horen. Met een amplitude en een frequentie zijn ze niet anders dan alle andere golven. De Algemene Relativiteit doet expliciete voorspellingen over hoe deze golven moeten klinken, waarbij de grootste signalen die golven genereren het gemakkelijkst te detecteren zijn. De grootste amplitude klinkt allemaal? Het is de inspirerende en samensmeltende “chirp” van twee zwarte gaten die in elkaar spiraliseren.

In september van 2015, slechts enkele dagen nadat geavanceerde LIGO voor het eerst gegevens begon te verzamelen, werd een groot, ongewoon signaal gespot. Het verraste iedereen, omdat het zoveel energie zou hebben gedragen in slechts een korte uitbarsting van 200 milliseconden, dat het alle sterren in het waarneembare heelal samen zou hebben overtroffen. Toch bleek dat signaal robuust te zijn, en de energie van die uitbarsting was afkomstig van twee zwarte gaten – van 36 en 29 zonsmassa’s – die samensmolten tot één van 62 zonsmassa’s. Die ontbrekende drie zonsmassa’s? Die werden omgezet in pure energie: gravitatiegolven die door het weefsel van de ruimte golven. Dat was de eerste gebeurtenis die LIGO ooit detecteerde.

Nu is het meer dan een jaar later, en LIGO is op dit moment bezig met zijn tweede run. Er zijn niet alleen andere samensmeltingen van zwarte gaten ontdekt, maar de toekomst van de zwaartekrachtgolfastronomie is rooskleurig, omdat nieuwe detectoren onze oren zullen openen voor nieuwe soorten geluiden. Ruimte-interferometers, zoals LISA, zullen langere basislijnen hebben en geluiden met een lagere frequentie kunnen horen: geluiden zoals fusies van neutronensterren, feestende superzware zwarte gaten, en fusies met zeer ongelijke massa’s. Pulsar timing arrays kunnen nog lagere frequenties meten, zoals omloopbanen die er jaren over doen, zoals het superzware zwarte gatenpaar: OJ 287. En combinaties van nieuwe technieken zullen op zoek gaan naar de oudste zwaartekrachtgolven van allemaal, de relikwiegolven die worden voorspeld door kosmische inflatie, helemaal terug in het begin van ons heelal.

Er is zoveel te horen, en we zijn nog maar net begonnen met voor het eerst te luisteren. Gelukkig staat astrofysicus Janna Levin – auteur van het fantastische boek Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – klaar om vanavond, 3 mei, om 19.00 uur Eastern / 16.00 uur Pacific, de openbare lezing te geven op het Perimeter Institute. De lezing wordt hier live gestreamd en door mij live geblogd in real time! Kom erbij voor nog meer informatie over dit ongelooflijke onderwerp, en ik kan niet wachten om haar te horen spreken.

De live-blog begint een paar minuten voor 4:00 PM Pacific; kom hier en volg mee!

3:50 PM: Het is tien minuten tot de showtime, en om dat te vieren zijn hier tien leuke weetjes (of zoveel als we er in kunnen krijgen) over zwaartekracht en zwaartekrachtsgolven.

1.) In plaats van “actie op afstand”, waarbij een onzichtbare kracht wordt uitgeoefend tussen massa’s, zegt de algemene relativiteit dat materie en energie het weefsel van de ruimtetijd vervormen, en dat die vervormde ruimtetijd zich manifesteert als gravitatie.

2.) In plaats van met oneindige snelheid te reizen, reist gravitatie slechts met de snelheid van het licht.

3.) Dit is belangrijk, want het betekent dat als er veranderingen optreden in de positie, configuratie, beweging, enz. van een massief object, de daaruit voortvloeiende gravitatieveranderingen zich alleen voortplanten met de lichtsnelheid.

3:54 PM: 4.) Dit betekent dat bijvoorbeeld gravitatiegolven zich alleen met de lichtsnelheid kunnen voortplanten. Als we een gravitatiegolf “detecteren”, dan detecteren we het signaal van toen die massa-configuratie veranderde.

5.) Het eerste door LIGO gedetecteerde signaal vond plaats op een afstand van ongeveer 1,3 miljard lichtjaar. Het heelal was ongeveer 10% jonger dan nu toen die fusie plaatsvond.

6.) Als gravitatie met oneindige snelheid zou reizen, zouden planeetbanen volkomen onstabiel zijn. Het feit dat planeten in ellipsen rond de zon bewegen, betekent dat als de Algemene Relativiteit correct is, de snelheid van de zwaartekracht gelijk moet zijn aan de snelheid van het licht met een nauwkeurigheid van ongeveer 1%.

3:57 PM: 7.) Er zijn veel, veel meer signalen van zwaartekrachtgolven dan wat LIGO tot nu toe heeft gezien; we hebben alleen het makkelijkst te detecteren signaal gedetecteerd.

8.) Wat een signaal “gemakkelijk” te zien maakt, is een combinatie van zijn amplitude, dat wil zeggen, hoeveel het een padlengte, of een afstand in de ruimte, kan vervormen, evenals zijn frequentie.

9.) Omdat LIGO’s armen slechts 4 kilometer lang zijn, en de spiegels het licht duizenden keren weerkaatsen (maar niet meer), betekent dit dat LIGO alleen frequenties van 1 Hz of sneller kan detecteren.

10.) Voor langzamere signalen hebben we langere hefbomen en grotere gevoeligheden nodig, en dat betekent dat we de ruimte in moeten. Dat is de toekomst van de gravitatiegolfastronomie!

4:01 PM: We hebben het gehaald! Tijd om te beginnen en Janna Levin voor te stellen! (Spreek uit als “JAN-na”, niet “YON-na”, als u het zich afvroeg.)

4:05 PM: Hier is de grote aankondiging/shot: de eerste directe opname van de eerste gravitatiegolf. Het duurde 100 jaar nadat Einstein voor het eerst de algemene relativiteit naar voren bracht, en ze speelt een opname af! Zorg dat je gaat luisteren! Wat betekent het immers om een geluid in de ruimte te “horen”, en waarom is dit een geluid? Dat is het doel, zegt ze, van haar lezing.

4:08 PM: Als je kijkt naar wat er allemaal is in het heelal, dan konden we daar ten tijde van Galileo nog niets van weten. We dachten aan zonnevlekken, Saturnus, enz., en waren totaal niet in staat ons een voorstelling te maken van de grote kosmische schalen of afstanden. Vergeet het “bedenken van andere sterrenstelsels,” we hadden hier nog geen idee van!

4:10 PM: Janna laat een van mijn favoriete video’s zien (die ik herken) van de Sloan Digital Sky Survey! Ze hebben 400.000 van de dichtstbijzijnde sterrenstelsels in kaart gebracht in drie dimensies. Zo ziet ons (nabije) heelal eruit, en zoals je kunt zien is het echt grotendeels lege ruimte!

4:12 PM: Ze maakt een geweldig punt waar ze totaal niet bij stilstaat: slechts 1 op 1000 sterren zal ooit een zwart gat worden. Er zijn meer dan 400 sterren binnen 30 lichtjaar van ons, en nul van hen zijn O of B sterren, en nul van hen zijn zwarte gaten geworden. Deze blauwste, massiefste en kortstlevende sterren zijn de enige die zullen uitgroeien tot zwarte gaten.

4:15 PM: Als je nadenkt over “waar komt Einsteins theorie vandaan?”, maakt Janna een geweldig punt: het idee van het equivalentieprincipe. Als je zwaartekracht hebt, zou je kunnen denken dat je je “zwaar” voelt in je stoel, bijvoorbeeld. Maar deze reactie die je hebt is precies dezelfde reactie die je zou voelen als je zou versnellen, in plaats van zwaartekracht. Het is niet de zwaartekracht die je voelt, het zijn de effecten van de materie om je heen!

4:17 PM: De band OKGO heeft een video gemaakt, vliegend in de kots komeet. Janna kan het niet helemaal laten zien, met audio, om copyright redenen, en beveelt het ten zeerste aan. Gelukkig voor u, dankzij het internet… hier is het! Geniet er op uw gemak van!

4:19 PM: Er is nog een enorme openbaring over zwaartekracht: de manier waarop we begrijpen hoe dingen werken, komt door te kijken hoe dingen vallen. De maan “valt” om de aarde; Newton realiseerde zich dat. Maar de Aarde “valt” om de Zon; de Zon “valt” om het melkwegstelsel; en atomen “vallen” hier op Aarde. Maar dezelfde regel geldt voor hen allemaal, zolang ze allemaal in vrije val zijn. Verbazingwekkend!

4:21 PM: Hier is een leuke openbaring: denk niet langer aan een zwart gat als ineengestorte, verpletterde materie, ook al is dat misschien hoe het is ontstaan. Zie het in plaats daarvan gewoon als een gebied van lege ruimte met sterke gravitatie-eigenschappen. In feite, als je alleen maar “massa” aan dit gebied van ruimte zou toekennen, zou dat perfect een Schwarzschild (niet-geladen, niet-roterend) zwart gat definiëren.

4:23 PM: Als je in een zwart gat zou vallen met de massa van de zon, zou je ongeveer een microseconde de tijd hebben, vanaf het moment dat je de horizon passeert (volgens Janna), tot het moment dat je wordt verpletterd in de singulariteit. Dit is in overeenstemming met wat ik ooit berekende, waar we voor het zwarte gat in het centrum van de Melkweg ongeveer 10 seconden hadden. Aangezien het zwarte gat van de Melkweg 4.000.000 keer zo zwaar is als onze zon, klopt de rekensom wel!

4:26 PM: Hoe zou je een gravitatiegolf detecteren? Eerlijk gezegd zou het zijn alsof je op het oppervlak van de oceaan staat; je zou op en neer langs het oppervlak van de ruimte dobberen, en er was een groot meningsverschil in de gemeenschap over de vraag of deze golven echt waren of niet. Pas toen Joe Weber langskwam en besloot om te proberen deze gravitatiegolven te meten, met behulp van een fenomenaal apparaat – een aluminium staaf – dat ging trillen als een golf de staaf heel lichtjes “beroerde”.

Weber zag veel van dergelijke signalen die hij identificeerde met gravitatiegolven, maar deze werden helaas nooit gereproduceerd of geverifieerd. Hij was, ondanks al zijn slimheid, geen erg zorgvuldige experimentator.

4:29 PM: Er is een goede vraag van Jon Groubert op twitter: “Ik heb een vraag over iets wat ze zei – er is toch iets binnenin een zwart gat, of niet? Zoals een zware neutronenster.” Er zou een singulariteit moeten zijn, die ofwel puntvormig is (voor een niet-roterende singulariteit) ofwel een eendimensionale ring (voor een roterende), maar geen gecondenseerde, ineengestorte, driedimensionale materie.

Waarom niet?

Omdat om als structuur te blijven bestaan, een kracht zich moet voortplanten en tussen deeltjes moet worden overgedragen. Maar deeltjes kunnen alleen krachten overbrengen met de snelheid van het licht. Maar niets, zelfs licht niet, kan “naar buiten” bewegen in de richting van de uitgang van een zwart gat; alles beweegt in de richting van de singulariteit. En dus kan niets zichzelf overeind houden, en stort alles in elkaar in de singulariteit. Triest, maar de fysica maakt dit onvermijdelijk.

4:32 PM: Na Weber’s mislukkingen (en val van roem), kwam het idee van LIGO van Rai Weiss in de jaren 1970. Het heeft meer dan 40 jaar geduurd voordat LIGO een feit was (en meer dan 1000 mensen om het te realiseren), maar het meest fantastische was dat het experimenteel mogelijk was. Door twee zeer lange hefboomarmen te maken, kon je het effect van een passerende zwaartekrachtgolf zien.

4:34 PM: Dit is mijn favoriete video, waarin wordt geïllustreerd wat een zwaartekrachtgolf doet. Het beweegt de ruimte zelf (en alles wat zich daarin bevindt) een heel klein beetje heen en weer. Als je een laserinterferometer hebt (zoals LIGO), kan die deze trillingen detecteren. Maar als je dichtbij genoeg was en je oren gevoelig genoeg, zou je deze beweging in je trommelvlies kunnen voelen!

4:35 PM: Ik heb een hele goede koptelefoon, Perimeter, maar helaas kan ik de verschillende signalen van het gravitatiegolfmodel die Janna afspeelt niet horen!

4:38 PM: Het is grappig om te bedenken dat dit ’s werelds meest geavanceerde vacuüm is, binnenin de LIGO detectoren. Toch zitten er vogels, ratten, muizen, enz. onder, en die kauwen zich een weg in bijna de vacuümkamer waar het licht doorheen reist. Maar als het vacuüm was verbroken (het is constant sinds 1998), zou het experiment voorbij zijn geweest. In Louisiana schoten jagers op de LIGO-tunnels. Het is afschuwelijk hoe gevoelig en duur deze apparatuur is, maar ook hoe kwetsbaar het allemaal is.

4:41 PM: Janna vertelt dit verhaal op een spannende, maar menselijke manier. We zagen alleen de laatste paar omloopbanen van twee zwarte gaten, drastisch vertraagd in het bovenstaande filmpje. Ze waren maar een paar honderd kilometer van elkaar verwijderd, die laatste vier omlopen duurden 200 milliseconde, en dat is het hele signaal dat LIGO zag.

4:43 PM: Als je moeite hebt om de gebeurtenissen in de lezing te horen, luister dan naar deze video (hierboven), zowel op natuurlijke toonhoogte als op verhoogde toonhoogte. De kleinere zwarte gaten (ruwweg 8 en 13 zonsmassa’s) van 26 december 2015 zijn zowel stiller als hoger van toon dan de grotere (29 en 36 zonsmassa’s) van 14 september in datzelfde jaar.

4:46 PM: Even een kleine correctie: Janna zegt dat dit de krachtigste gebeurtenis was die ooit is waargenomen sinds de oerknal. En dat is alleen technisch waar, vanwege de grenzen van onze detectie.

Bij fusies van zwarte gaten wordt ongeveer 10% van de massa van het minst massieve zwarte gat in een fusiepaar omgezet in pure energie via Einstein’s E = mc2. 29 zonsmassa’s is veel, maar er zullen zwarte gaten zijn van honderden miljoenen of zelfs miljarden zonsmassa’s die zijn samengesmolten. En we hebben bewijs.

4:49 uur: Dit is OJ 287, waar een zwart gat van 150 miljoen zonnemassa om een zwart gat van ~18 miljard zonnemassa draait. Een volledige omloopbaan duurt 11 jaar en de Algemene Relativiteit voorspelt hier een precessie van 270 graden per omloop, vergeleken met 43 boogseconden per eeuw voor Mercurius.

4:51 PM: Janna heeft een ongelooflijke prestatie geleverd door op tijd te eindigen; ik heb nog nooit een lezing van een uur zien eindigen na 50 minuten bij een openbare lezing van de Perimeter. Wow!

4:52 PM: Wat zou er gebeuren als de aarde in een zwart gat wordt gezogen? (V&Een vraag van Max.) Hoewel Janna een geweldig antwoord geeft, wil ik erop wijzen dat, vanuit het oogpunt van zwaartekrachtgolven, de Aarde uit elkaar zou worden gereten, en we een “uitgesmeerd” golfsignaal zouden krijgen, dat een veel luidruchtiger, statisch signaal zou zijn. Als de aarde eenmaal is opgeslokt, groeit de waarnemingshorizon een heel klein beetje, omdat een extra drie miljoenste van een zonsmassa de straal van het zwarte gat met net dat kleine, overeenkomstige beetje vergroot.

4:55 PM: Wat een leuk gesprek, een geweldige en pittige Q&A sessie, en een geweldige ervaring in het algemeen. Geniet er nog maar eens van, want de video van het gesprek is nu ingesloten als een permalink. En bedankt voor het afstemmen!