Einsteins theorie getest aan de hand van GW150914

Hoewel de ART in 2015 zijn honderdste verjaardag vierde, kon de theorie in al die tijd slechts in beperkte mate worden getest omdat alleen objecten met een  relatief zwak zwaartekrachtsveld voorhanden waren, bijvoorbeeld de planeten in het zonnestelsel, die maar een kleine ruimtetijdkromming veroorzaken en slechts met een fractie van de lichtsnelheid bewegen. Zelfs extreme objecten zoals twee neutronensterren die met een duizendste van de lichtsnelheid in een nauwe baan om elkaar heen draaien, volstaan niet om belangrijke aspecten van Einsteins theorie te testen. Vooral de manier waarop de ruimtetijdkromming verandert in de tijd, kon met de bestaande waarnemingen alleen maar indirect en met grote moeite worden getest.

Pure ruimtetijd

Hierin is verandering gekomen met de waarneming van GW150914. De golf werd uitgezonden door twee zwarte gaten, elk met een diameter van ongeveer 200 kilometer, die steeds sneller in een spiraalbeweging naar elkaar toe bewogen totdat ze meer dan 70 keer per seconde om elkaar heen draaiden, op een topsnelheid van 60% van de lichtsnelheid. Vervolgens smolten de zwarte gaten samen tot een enkel zwart gat dat een fractie van een seconde hevig natrilde. Zwarte gaten bestaan uit pure ruimtetijd, zodat het proces niet verder wordt gecompliceerd door de aanwezigheid van materie.

"Met de de rechtstreekse waarneming van zo’n gebeurtenis kunnen we de algemene relativiteitstheorie onderwerpen aan uiterst stringente en zuivere tests," zegt Jo van den Brand, die op Nikhef het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven leidt.

Data-analyse

De onderzoeksgroep van Nikhef is niet alleen nauw betrokken bij de bouw van Advanced Virgo, de Italiaans-Frans-Nederlandse detector van zwaartekrachtsgolven, maar neemt ook een belangrijk deel van de data-analyse voor haar rekening, inclusief die van Ligo. Chris van den Broeck coördineert samen met een Amerikaanse collega alle analyse-activiteiten in de Ligo-Virgosamenwerking, en speelt ook een belangrijke rol in de ontwikkeling van methoden om Einsteins theorie te testen aan de hand van zwaartekrachtsgolven. "De Nikhef-groep is hierin de pionier geweest", aldus Van den Broeck. "Nikhef-onderzoekers hebben dan ook een belangrijke bijdrage geleverd aan een artikel van de Ligo-Virgo samenwerking dat online is gezet".

Eén test van de theorie heeft te maken met het feit dat zwarte gaten niet alleen massa hebben, maar ook om hun as tollen, waarbij ze de omringende ruimtetijd veranderen in een soort draaikolk, die spin wordt genoemd. Einsteins theorie voorspelt een verband tussen de massa’s en spins van de oorspronkelijke zwarte gaten, en de massa en spin van het uiteindelijke zwarte gat dat werd gevormd in het proces dat heeft geleid tot GW150914. Deze relatie is nu geverifieerd. Wanneer het uiteindelijke zwarte gat is gevormd, trilt het ook nog even na. Net zoals een blok staal vooral trilt met een bepaalde frequentie wanneer je er met een hamer op slaat, heeft het zwarte gat een karakteristieke frequentie die wordt bepaald door massa en spin. Hetzelfde geldt voor de tijdsduur van dit natrillen. Deze getallen zijn eveneens gemeten, en komen overeen met de theorie.

Andere theorieën

Naast de ART bestaan er nog andere zwaartekrachtstheorieën, waarvan de voorspellingen vaak alleen merkbaar afwijken van Einsteins theorie bij zeer sterke ruimtekromming of wanneer objecten bijna met de lichtsnelheid bewegen. De ART voorspelt een bepaalde vorm voor de gravitatiegolf die wordt uitgezonden door samensmeltende zwarte gaten, en in alternatieve theorieën is die vorm iets anders. De Nikhef-onderzoekers hebben het signaal onderworpen aan een uitgebreide serie van tests om kleine afwijkingen te vinden in de verwachte vorm van de golf, en ook hier is Einstein met glans doorheen gekomen.

Wetenschappers gaan ervan uit dat zwaartekracht wordt overgedragen door een hypothetisch deeltje, het graviton. Hoewel dit deeltje niet rechtstreeks is waargenomen met de detectie van GW150914, kan het signaal wel worden gebruikt om iets te zeggen over zijn eigenschappen. Algemeen wordt aangenomen dat het graviton zelf geen massa heeft, maar als dat wel zo zou zijn, dan zou het te zien zijn aan de manier waarop gravitatiegolven zich voortplanten: componenten van de golf met een kortere golflengte zouden dan sneller bewegen dan die met een langere golflengte. Doordat de zwaartekrachtsgolf anderhalf miljard jaar lang onderweg is geweest voordat hij de aarde bereikte, kunnen zelfs ontzettend kleine effecten van deze aard worden opgespoord. Op die manier kon worden afgeleid dat áls het graviton een massa heeft, deze niet groter kan zijn dan 10^-58 kg.