Zwaartekrachtgolven: brullend op de kosmische achtergrond

Deze pulsars sturen in principe niet alleen radiostraling de ruimte in, maar bestrijken ook het hele elektromagnetische spectrum.

Nu zwaartekrachtgolven opvangen met gammastraling

Hoogenergetische gammastralen hebben een onovertroffen voordeel ten opzichte van radiogolven: ze worden niet beïnvloed door het interstellaire medium. In dit opzicht biedt gammastraling een voordeel ten opzichte van metingen met een hoge resolutie in de radioband, omdat deze foutbron daar niet bestaat. Aan de andere kant kunnen gammastralen niet rechtstreeks op aarde worden waargenomen, omdat ze worden geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde – gelukkig voor ons, moet je zeggen.

Gelukkig is er een gammastralingstelescoop in de baan van de aarde, waar deze straling gemakkelijk kan worden opgevangen: de Fermi Space Telescope observeert sinds 2008 de hoogenergetische hemel. Aditya Parthasarathy en Matthew Kerr vroegen zich af of het zwaartekrachtgolfsignaal van milliseconde pulsars konden ook worden gedetecteerd in het gamma van gammastralen. Antwoord: Ja dat kan. Daardoor kwamen in één klap twaalf jaar aan data ter beschikking van experts. Gepubliceerde resultaten Fermi-LAT werkte onlangs samen in het tijdschrift “Science”.

“Het mooie is dat we niet eens zoveel hoeven te doen, omdat Fermi in een baan om de aarde draait en vanaf daar de hele hemel afspeurt”, zegt Aditya Parthasarathy. “Het werkt zo goed dat we zelfs laagfrequente zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren, zonder PTA’s in de radiogolfband. Het is een volledig onafhankelijke methode.”

Aditya Parthasarathy moet echter nog geduld hebben. Hoewel hij en zijn team konden aantonen dat de methode in principe werkt, verzamelden ze ook hier simpelweg te weinig data. Dit geldt ook voor jagers op zwaartekrachtgolven in het gammastralingsbereik: welkom om te wachten.

Terwijl onderzoekers wachten op de eerste gegevens over de achtergrond van zwaartekrachtgolven, vragen ze zich af wat ze eigenlijk kunnen waarnemen. Wat creëert een zwaartekrachtgolfsignaal? Omdat het niet het gezoem van een enkel paar compacte zwarte gaten is dat de Hillings Downs-curve beschrijft. In plaats daarvan is het een gesuperponeerd signaal van de vele extreem massieve zwarte gaten die naar het nieuwe gemeenschappelijke centrum migreren wanneer twee sterrenstelsels botsen en daar om elkaar heen draaien. Daarom hebben onderzoekers het ook over een willekeurige zwaartekrachtgolfachtergrond.

Als zwarte gaten te saai voor je zijn, hoe zit het dan met kosmische snaren?

Andere processen in de ruimte kunnen echter dergelijke laagfrequente zwaartekrachtsgolven genereren. Theoretisch fysicus Kay Schmitz behandelt ze. Hij zou graag op zoek zijn naar tekenen van kosmische snaren, de overblijfselen van de tijd van het universum vlak na de oerknal. Dergelijke kosmische snaren kunnen wijzen op faseovergangen die onze wereld op dat moment doormaakte – en zouden een directe indicatie zijn van fysica die verder gaat dan het standaardmodel. Of misschien verwijst de Hellings-Downs-curve naar kosmische inflatie kort na de oerknal, waardoor de ruimtetijd zelf oscilleerde?

Het klinkt allemaal ingewikkelder dan het is. Uiteindelijk draait het bij pulsar-timing-arrays allemaal om het kunnen detecteren van zwaartekrachtsgolven. We kunnen later praten over wat daar precies werd bewezen. “Eerst moet je de Hellings-Downs-curve definiëren”, zegt Kay Schmitz.

Want pas als de curve in de data voor de komende jaren verschijnt, komen er meer vragen. Men kan dan bijvoorbeeld de spectrale verdeling analyseren, zoals om welke frequenties het gaat en in welke mate. Dit zou kunnen onthullen of zwaartekrachtsgolven een kosmisch geheim bevatten vanaf het begin van het universum – of dat ze van astrofysische oorsprong zijn. In het laatste geval duidt de achtergrondruis op een proces waar onderzoekers vrijwel zeker van zijn: het samensmelten van superzware zwarte gaten in samensmeltende sterrenstelsels.

“In de komende jaren, met meer gegevens, zullen de foutbalken kleiner worden. En als de foutbalken naar beneden gaan in de richting die u wilt dat ze zijn, is er grote hoop dat het zwaartekrachtgolfsignaal duidelijk zal worden”, zegt Kay Schmitz . Hij hoopt zelfs dat het signaal de afgelopen jaren tot nu toe verborgen is gebleven voor gegevens die al zijn verzameld maar nog niet zijn geanalyseerd. Dan zal het niet lang meer duren voordat jagers op zwaartekrachtgolven hun ontdekking aankondigen.

Andere onderzoekers zoals Aditya Parthasarathy zijn niet zo optimistisch: “Ik denk dat we op dit moment voorzichtig moeten zijn”, zegt hij. “Dit zijn zeer zwakke signalen. Ik denk dat het nog een paar jaar zal duren voordat we een echt resultaat hebben. Parthasarathy heeft het echter over jaren, niet over decennia. Dus het wachtende spel in de zoektocht naar zwaartekrachtgolven gaat voorlopig door – maar misschien niet lang meer.”