Zwaartekrachtgolven - de onzichtbare rimpelingen in het weefsel van de ruimte voorspeld door Albert Einstein - openen een nieuw tijdperk van astronomie waardoor wetenschappers delen van het universum kunnen zien die ooit als onzichtbaar werden beschouwd, zoals zwarte gaten, donkere materie en theoretische subatomaire deeltjes die axions worden genoemd.

Bijna 100 jaar nadat Einstein hun bestaan ​​voorspelde als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie, zwaartekrachtsgolven werden voor het eerst gedetecteerd in 2015 door wetenschappers die werkten aan de Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), waardoor ze de Nobelprijs voor natuurkunde kregen.

De zwakke verstoringen die het gigantische instrument opving, werden veroorzaakt door twee zwarte gaten die op 1,3 miljard lichtjaar van de aarde tegen elkaar botsten. Toen deze twee superzware objecten met elkaar in botsing kwamen, ze vervormden ruimte en tijd.

"De vervorming plant zich voort als rimpelingen op een meer, " verklaarde professor Paolo Pani, een theoretisch fysicus aan de Sapienza Universiteit van Rome, Italië. "Dit zijn zwaartekrachtsgolven."

Alle objecten met massa zullen hun eigen kleine dip creëren in het weefsel van ruimtetijd, creëren van wat we zwaartekracht noemen. Maar alleen catastrofale gebeurtenissen waarbij de zwaarste objecten betrokken zijn, zoals zwarte gaten en neutronensterren, kan zwaartekrachtgolven creëren die groot genoeg zijn om op aarde te worden gedetecteerd. Ze stralen met de snelheid van het licht door het heelal, door bijna alles op hun pad gaan.

Maar het vermogen om deze golven te detecteren, biedt astronomen nu ook nieuwe manieren om naar het universum te kijken. Prof. Pani leidt het DarkGRA-project in een poging om zwaartekrachtsgolven te gebruiken om enkele van de grootste mysteries van het universum te onderzoeken, inclusief zware exotische sterren, donkere materie en zwarte gaten zelf.

Voorheen waren astrofysici gedwongen om de aanwezigheid van zwarte gaten af ​​te leiden door te kijken naar het gedrag van het materiaal om hen heen. Men denkt dat het de superzware overblijfselen zijn van ingestorte sterren, de zwaartekracht die ze produceren is zo groot dat zelfs licht niet ontsnapt. Alles wat de grens van een zwart gat passeert, bekend als de gebeurtenishorizon, blijft daar.

"Dit is waarom we zwarte gaten niet kunnen zien, " zei Prof. Pani. "In plaats daarvan zien we een afwezigheid van licht van hen. Zwarte gaten zijn nog steeds een groot mysterie."

zwaartekracht golven, echter, laten wetenschappers zoals Prof. Pani ze direct bekijken. "Ze zijn een soort boodschapper van de ruimtetijd rond deze objecten, zonder een tussenproduct te gebruiken, " hij zei.

Door de kenmerken van deze golven te bestuderen, is het mogelijk informatie te verkrijgen over de massa, rotatie, straal en snelheid van deze voorheen onzichtbare objecten. "Het doel van ons project is om de waarnemingen van zwaartekrachtgolven van zeer compacte objecten te begrijpen, zodat we andere soorten objecten kunnen uitsluiten of bevestigen, " zei prof. Pani.

Volgens de algemene relativiteitstheorie de samensmelting van twee zeer compacte objecten – zoals witte dwergen, neutronensterren of zwarte gaten - zullen ervoor zorgen dat het uiteindelijke object instort en een zwart gat vormt. Maar er zijn alternatieve theorieën die voorspellen dat ze ook objecten kunnen vormen met een vergelijkbare massa en straal als zwarte gaten, maar zonder gebeurtenishorizon. Deze mysterieuze compacte objecten zouden daarom een ​​oppervlak hebben dat zwaartekrachtgolven zou reflecteren.

"Als er een oppervlak is, na een fusie van de objecten, er zouden zwaartekrachtsgolfecho's moeten zijn, dus een signaal dat wordt gereflecteerd vanaf het oppervlak, " legde Prof Pani uit. Het zou mogelijk moeten zijn om deze echo's te detecteren in de signalen die hier op aarde worden opgevangen.

Donkere materie

Er is een andere verklaring, echter, dat zou leiden tot zwarte gaten die onverwacht echo's of andere onverklaarbare zwaartekrachtsgolfkenmerken zouden produceren - ze zouden in een bad van donkere materie kunnen zitten, een hypothetische vorm van materie die nog moet worden gezien, maar waarvan wordt gedacht dat deze 85% van alle materie in het universum uitmaakt. Ook dit zou een kenmerkende, veelbetekenende zwaartekrachtgolf kunnen produceren.

"Donkere materie heeft heel weinig interactie met iets anders, dus is erg moeilijk te testen in het lab, " zei prof. Pani. Maar door te zoeken naar duidelijke signalen in de zwaartekrachtsgolven, zouden wetenschappers het voor het eerst kunnen 'zien'.

Sommige zwaartekrachtwaarnemingen kunnen alleen worden verklaard door de aanwezigheid van donkere materie, die we niet kunnen zien, of door onze zwaartekrachtwetten te veranderen. Professor Ulrich Sperhake, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Cambridge, VK, en hoofdwetenschapper in het StronGrHEP-project, beschreef zwaartekrachtsgolven als een 'nieuw venster op het universum' dat ons zou kunnen helpen deze mysteries te ontrafelen.

Als er al deze donkere materie rond twee zwarte gaten hangt terwijl ze samensmelten, dan zou dit energie opslokken.

Het zou betekenen dat bij een botsing met een zwart gat zoals gedetecteerd door LIGO, de zwaartekrachtsgolven zouden er iets anders uitzien dan zonder donkere materie.

Een observatiepuzzel waar ze licht op kunnen werpen, is waarom sterrenstelsels sneller roteren dan hun grootte suggereert. "De rotatiesnelheid is gerelateerd aan de massa die erin zit, " zei Prof. Sperhake. Dus als een melkwegstelsel sneller draait dan de massa die we kunnen zien, er zijn twee mogelijke verklaringen:ofwel moeten we onze fundamentele theorieën over hoe zwaartekracht werkt veranderen, ofwel is er donkere materie in de sterrenstelsels die we niet kunnen zien.

Een idee dat prof. Sperhake onderzoekt, is om Einsteins algemene relativiteitstheorie uit te breiden met een nieuwe theorie, zogenaamde scalaire tensorzwaartekracht. Dit suggereert dat het heelal is gevuld met een extra veld - vergelijkbaar met een magnetisch of elektrisch veld - dat nog moet worden gedetecteerd.

Het zou betekenen dat de supernova-explosie van een stervende ster niet alleen zichtbaar zou zijn als een uitbarsting van zwaartekrachtgolven, maar er zou een nagloed van zwaartekrachtsgolven zijn die we zouden kunnen detecteren. We zouden LIGO kunnen sturen naar gebieden aan de hemel waar sterren zijn geëxplodeerd - ook wel bekend als supernova's - om te proberen een dergelijke nagloed van het scalaire veld te detecteren die eeuwen na de daadwerkelijke explosie kan aanhouden.

Afzonderlijk, Prof. Sperhake onderzoekt of donkere materie kan worden verklaard door theoretische subatomaire deeltjes die axions worden genoemd. Hij probeert te modelleren hoe de echo's van zwaartekrachtsgolven van zwarte gaten eruit zouden kunnen zien als deze deeltjes aanwezig zijn.

"Ik zou zeggen dat axions een van de beste kandidaten zijn voor donkere materie, " zei hij. De volgende stap is om zijn modellen toe te passen op de gegevens die LIGO verzamelt om te zien of theorie en observatie een match zijn.

Mooie theorie

Dr. Richard Brito trad eerder dit jaar toe tot de groep van Prof. Pani in Italië als onderdeel van zijn eigen project, FunGraW gebruikt zwaartekrachtgolven om het bestaan ​​van axiondeeltjes te testen. Maar hij zal ze ook gebruiken om de theorie van Einstein zelf te testen en of deze op grote schaal onjuist is.

"Als we objecten zien die bijna net zo compact zijn als zwarte gaten, maar zonder waarnemingshorizon, dat betekent dat de algemene relativiteitstheorie verkeerd is op die schalen, " hij zei.

Het kan belangrijke alledaagse implicaties hebben. De algemene relativiteitstheorie is bijvoorbeeld cruciaal voor de dagelijkse werking van GPS. Maar de ontdekking dat de theorie van Einstein op grote schaal instort, betekent niet dat ze moet worden weggegooid. Liever, een addendum kan nodig zijn.

"You'd have a hard time matching the mathematical clarity of Einstein's theory, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."