Zwaartekrachtgolf

Algemene relativiteitstheorie
	(de einstein-vergelijking) ;
	Achtergrond Speciale relativiteit ; Equivalentieprincipe · Wereldlijn ; Coördinaat-onafhankelijkheid ; Wiskundige achtergrond: tensoren ; Metrische tensor
	Vergelijkingen Einstein-vergelijking ; Friedmannvergelijking ; ADM-formalisme
	Oplossingen Schwarzschildmetriek ; Reissner-Nordströmmetriek ; Kerrmetriek
	Experimentele verificatie Gravitationeel lenseffect ; Zwarte gaten ; Perihelium-precessie
	Gevorderde onderwerpen Kaluza-klein-theorie ; Kwantumgravitatie
	Wetenschappers Einstein · Minkowski · Eddington ; Lemaître · Schwarzschild; Friedmann · Chandrasekhar ; Hawking

Simulatie van een botsing tussen twee zwarte gaten; het veroorzaakt zwaartekrachtgolven

Lezing door natuurkundige Stan Bentvelsen (Universiteit van Amsterdam en Nikhef) over zwaartekrachtgolven - Universiteit van Nederland

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]

Een ring van deeltjes wordt door een gepolariseerde zwaartekrachtgolf samengedrukt in de ene richting en tegelijkertijd uitgerekt in de richting loodrecht daarop. De bovenste rij toont het effect van een +-polarisatie, de onderste rij van een x-polarisatie.

De algemene relativiteitstheorie voorspelt niet alleen dat de ruimte gekromd is, maar ook dat er zwaartekrachtgolven bestaan. Zwaartekrachtgolven worden uitgezonden door objecten die aan versnelling onderhevig zijn. Zwaartekrachtgolven zijn naar verwachting transversaal, al voorspellen sommige theorieën daarnaast ook longitudinale golven. Zwaartekrachtgolven vervoeren energie als zwaartekracht- of gravitatiestraling.

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.

Zwaartekrachtgolven kunnen ook optreden bij een grote explosie in het heelal. 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.

Meten van zwaartekrachtgolven[bewerken | brontekst bewerken]

Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst 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] De onderzoekers van LIGO, VIRGO en KAGRA hebben in November 2021 resultaten bekendgemaakt van nog 90 andere waarnemingen.

Virgo[bewerken | brontekst bewerken]

Zie Virgo (zwaartekrachtgolvendetector) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

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]

Zie LIGO voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

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]

Zie LISA voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

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]

Zie MiniGrail voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

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.

Zie ook[bewerken | brontekst bewerken]

Externe link[bewerken | brontekst bewerken]

www.zwaartekrachtsgolven.nl

Bronnen, noten en/of referenties

Hekkenberg, Ans (2013). Op zoek naar Einsteins golven. NWT Magazine 81 (4): 37-41.
Bergia, Silvio (2000), Einstein – Kwanta en relativiteit: revolutie in de natuurkunde. Natuur & Techniek, Veen magazines, Amsterdam, pp. 136-138. ISBN 90-7698803X.

↑ Nobelprijs Natuurkunde voor onderzoek zwaartekrachtgolven
↑ B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger." Physical Review Letters vol. 116 nr. 6 (12 Feb. 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102
↑ B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence" Physical Review Letters vol. 116 nr. 24 (15 Juni 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.241103
↑ B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2" Physical Review Letters vol. 118 nr. 22 (1 Juni 2017), DOI:10.1103/PhysRevLett.118.221101

Zie de categorie Gravitational waves van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.

[1] Nobelprijs Natuurkunde voor onderzoek zwaartekrachtgolven

[2] B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger." Physical Review Letters vol. 116 nr. 6 (12 Feb. 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.061102

[3] B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence" Physical Review Letters vol. 116 nr. 24 (15 Juni 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.241103

[4] B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). "GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2" Physical Review Letters vol. 118 nr. 22 (1 Juni 2017), DOI:10.1103/PhysRevLett.118.221101

[1]

[2]

[3]

[4]

Algemene relativiteitstheorie
$G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }$
(de einstein-vergelijking)
Achtergrond Speciale relativiteit Equivalentieprincipe · Wereldlijn Coördinaat-onafhankelijkheid Wiskundige achtergrond: tensoren Metrische tensor
Vergelijkingen Einstein-vergelijking Friedmannvergelijking ADM-formalisme
Oplossingen Schwarzschildmetriek Reissner-Nordströmmetriek Kerrmetriek
Experimentele verificatie Gravitationeel lenseffect Zwarte gaten Perihelium-precessie
Gevorderde onderwerpen Kaluza-klein-theorie Kwantumgravitatie
Wetenschappers Einstein · Minkowski · Eddington Lemaître · Schwarzschild Friedmann · Chandrasekhar Hawking