• A
  • A
  • Team science zorgt voor doorbraak zwaartekrachtsgolven

    (Artist's impression van botsende neutronensterren, foto: Nikhef)

    (Artist's impression van botsende neutronensterren, foto: Nikhef)

    - Zwaartekrachtsgolven waren al waargenomen, maar niet eerder zagen we ze vergezeld van gammastraling uit dezelfde bron komen. Onderzoekers van over de hele wereld zagen twee neutronensterren op elkaar botsen. Vanmiddag vertellen ze wat ze geleerd hebben.

    Afgelopen zomer keken astronomen over de hele wereld tegelijk naar dezelfde zeldzame gebeurtenis: de samensmelting van twee neutronensterren. In die botsing van twee loodzware sterren met een diameter ter grootte van Amsterdam kwam een weelde aan informatie vrij. Daaruit kon onder andere bevestigd worden dat zware elementen zoals goud, platina en uranium gevormd kunnen worden bij dit soort contact, en dat zwaartekrachtsgolven die hiermee gepaard gaan met ruwweg de snelheid van het licht door het heelal bewegen.

    Wat we weten:

    • Zwaartekrachtsgolven reizen ongeveer met de snelheid van het licht.
    • De vaker waargenomen ‘chirps’, signalen met snel oplopende frequentie, kunnen door samensmeltende neutronensterren worden gemaakt.
    • De samenstelling en omvang van neutronensterren is voor het eerst experimenteel vastgesteld.
    • Bij de samensmelting van neutronensterren ontstaan zware elementen als goud, platina en uranium.

    Op 17 augustus om 14:41 uur Nederlandse tijd pikten onderzoekers in de Verenigde Staten zwaartekrachtsgolven op die leken te passen bij twee botsende hemellichamen. Ook registreerde NASA’s Fermi-ruimtetelescoop op hetzelfde moment een gammaflits. De onderzoekers bij de zogenaamde LIGO-detectoren stelden hun Europese collega’s in Pisa bij de Virgo-detector op de hoogte. Samen bepaalden ze nauwkeurig de plaats en stelden vast dat het om twee samensmeltende neutronensterren ging. Vervolgens draaiden talloze detectoren en telescopen wereldwijd, waaronder de Hubble ruimtetelescoop, bij om de nasleep van de gebeurtenis vast te leggen.

    Team Science

    “Voor Virgo was het signaal bijna niet te detecteren omdat het paar neutronensterren eigenlijk te laag aan de horizon stond,” legt Chris van den Broeck (Nikhef, Rijksuniversiteit Groningen) uit aan ScienceGuide, “maar het feit dat Virgo bijna niets gezien heeft, daaruit leer je meteen dat het voor Virgo in een blinde hoek lag waardoor je de positie aan de hemel juist nauwkeuriger kunt bepalen.” Dat hielp mee om talloze onderzoeksgroepen hun meetapparatuur op de juiste manier af te stellen.

    Vanuit de hele wereld keken er op een gegeven moment wel 70 groepen mee naar de gebeurtenis, wat alleen mogelijk was door de nauwkeurige plaatsbepaling. Daardoor konden de astronomen ook langer doormeten na de gebeurtenis. “Dit resultaat is een prachtig voorbeeld van teamwork, het belang van coördineren en de waarde van wetenschappelijk samenwerken.” Zegt Virgo woordvoerder Jo van den Brand (Nikhef, VU) die vanmiddag in Washington DC spreekt op de persconferentie.

    Skylocation

    Schematische weergave van de waarneming in kwestie (GW170817).

    Het werd al langer vermoed dat het botsen en samensmelten van hemellichamen de oorzaak is van signalen die de onderzoekers ‘chirps’ noemen. Deze radiosignalen kenmerken zich doordat ze snel van een lage naar een hoge frequentie oplopen. “De chirp van deze botsing viel samen met de zwaartekrachtsgolf die gedetecteerd werd en vormt daarmee het bewijs dat we al langer zochten.” Legt Van den Broeck uit. Uiteindelijk was de chirp zo’n 100 seconden waar te nemen, daarna viel deze weer buiten het bereik van de detectoren.

    Heel veel teleconferenties

    Al die verschillende metingen brachten een zee aan data voort, en die analyseren vergt enorme hoeveelheden mens- en rekenkracht. “De afgelopen weken kon je elke dag wel inspringen op een teleconferentie,” vertelt Van den Broeck die het hoofd is van een van de vier ‘hoofdgroepen’ die de verschillende aspecten van de gebeurtenis analyseerden. Die teleconferenties gaan over diverse zaken, van het bepalen van de locatie tot het toetsen van de metingen aan de relativiteitstheorie.

    Lees hier over de bijdrages van Nikhef en SURFsara aan de Nobelprijs voor de natuurkunde.

    Om dit allemaal goed te organiseren is er een hiërarchie op onderwerpen gemaakt waarin structuur aangebracht is voor de analyse en het naar buiten treden. Verder draaiden er wereldwijd vijf supercomputers, waaronder SURFsara op het Science Park in Amsterdam, overuren om de talloze berekeningen uit te voeren. “Er zijn berekeningen die weken hebben geduurd, andere weer een minuut, de planning daarvan wordt heel goed geregeld.” Aldus Van den Broeck.

    Niet zeldzaam maar toch uniek

    De twee naar elkaar toe draaiende objecten, die later neutronensterren bleken te zijn, stonden op een relatief korte afstand van de aarde, zo’n 130 miljoen lichtjaar van ons vandaan. Dit betekent dat de botsing, zo’n 130 miljoen jaar geleden plaatsvond. “Toen de dinosaurussen de aarde nog bestierden,” zo illustreert Van den Broeck de tijdsschaal die benadrukt dat die afstand wel goed uitkwam: “als ze verder weg zouden staan zouden we ze niet waar kunnen nemen.”

    Tot nu toe zijn er al wel zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten waargenomen, maar die hebben als nadeel dat ze geen licht uitzenden. Door de enorme massa van die hemellichamen ontsnapt zelfs licht niet meer aan de zwaartekracht. Een botsing van neutronensterren is dus een unieke kans om zwaartekrachtsgolven en lichtsignalen samen te observeren. “Dit soort events is in kosmisch opzicht helemaal niet zeldzaam, ze gebeuren elke dag. Dit is alleen wel de eerste keer dat wij het hier op aarde detecteren.” Aldus Van den Broeck.

    Hoe snel is zwaartekracht?

    "Het zwaartekrachtgolf-signaal informatie over hoe de neutronensterren elkaar hebben vervormd door de getijdenkrachten, wat ons veel vertelt over hoe ze er van binnen uitzien," zegt Van den Broeck die voor zulke metingen de eerste concrete analysemethoden heeft helpen ontwikkelen. “Op neutronensterren zijn net zoals op aarde getijden, dat komt door de aantrekkingskracht van de twee objecten. Als je de omvang van de sterren kent dan kun je uit de deining van het oppervlak van alles afleiden over de samenstelling.”

    Het waarnemen van zowel zwaartekrachtsgolven als lichtsignalen geeft tevens inzicht in de snelheid waarmee ze zich door het heelal bewegen. Voor het eerst is nu vastgesteld dat de snelheid van zwaartekrachtgolven niet merkbaar afwijkt van de snelheid van het licht, aangezien het lichtsignaal 1,7 seconden later gedetecteerd werd dan de zwaartekrachtsgolven. “Als de signalen op hetzelfde moment zijn uitgezonden dan gaan zwaartekrachtsgolven dus sneller dan het licht. Als licht pas na de zwaartekrachtsgolf is uitgezonden, en dan heb ik het over ongeveer tien seconden later, dan gaat zwaartekracht dus iets langzamer.”

    De binnenkant van sterren

    In de nasleep van de eerste metingen werden nog meer ontdekkingen gedaan, waaronder de bevestiging van het vermoeden dat zeldzame zware elementen als goud en platina in een dergelijke botsing kunnen worden gevormd. Daarmee is een decennialang mysterie ontrafeld over de productie van elementen die zwaarder zijn dan ijzer, wat doorgaans als zwaarste product van bijvoorbeeld supernova’s overblijft.

    Nikhef-directeur Stan Bentvelsen over de ontdekking. “De detectie van het samensmelten van neutronensterren, eerst door zwaartekrachtgolven en ogenblikkelijk gevolgd door waarnemingen met optische telescopen, levert een volstrekt nieuw beeld van deze kosmische gebeurtenissen. Dit is wat mij betreft het event van de eeuw, dat een nieuwe kennismaking met ons universum markeert.”

    Ook oud-voorzitter van NWO Jos Engelen, die zich de detectie van de eerste zwaartekrachtsgolven in 2015 nog helder voor de geest kan halen geniet ervan dat voorheen oncontroleerbare voorspellingen nu getoetst kunnen worden. “Dit zijn in feite bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie die in 1915 al geformuleerd werd. Pas in de jaren ’60 hebben we experimenten bedacht om deze te testen en nu zien we een prachtige samensmelting van jaren theorievorming.”

    “Ik vind dit hartstikke opwindend,” voegt Engelen er aan toe. Hij spreekt van “indrukwekkende stappen vooruit” in de natuurkunde. “Ik ben er trots op dat Nikhef in teamverband bijdraagt, zowel in de technische als de theoretische zin. Het is echt knap dat je het onderzoek zo weet te programmeren dat je zinvolle stappen kun maken binnen de relativiteitstheorie.”