Springen naar inhoud

- - - - -

Waarom deze Nobelprijs voor de natuurkunde zo terecht is.


  • Log in om te kunnen reageren

#1

Michel Uphoff

    Michel Uphoff


  • >5k berichten
  • 6243 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 04 oktober 2017 - 21:51

Het was tevoren al vrijwel zeker en het had mij verbaasd als het niet gebeurd was.

 

De meting van de eerste zwaartekrachtgolven op 15 september 2014, een ontdekking die toen ze begin 2016 bekend werd gemaakt de wetenschappelijke wereld in staat van verrukking bracht, heeft geleid tot het toekennen van de Nobelprijs 2017 voor de fysica.

 

Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne zijn de gelukkigen. Het was een door de regels beperkte keuze uit velen. Weiss kreeg de prijs voor zijn cruciale bijdragen in het leggen van de wetenschappelijke en technische basis voor de extreem gevoelige Ligo detectoren in 1972, Barish voor zijn tientallen jaren niet aflatende inspanningen het project soms tegen de verdrukking in te realiseren, en Thorne voor zijn onmisbare theoretische bijdragen.

 

Waarom deze ontdekking zo belangrijk is, wat de nieuwste en spannende ontwikkelingen zijn, en welke grote beloften deze nu echt op stoom komende nieuwe tak van de astronomie voor de toekomst (en mogelijk ook voor Nederland) inhouden lees je in dit voor een breder publiek geschreven artikel hieronder.

 

Meer technisch en diepgaander informatie kan je vinden in DIT uitgebreide topic.

 

Nog veel meer en zeer toegankelijke informatie tref je aan in het boek "Deining in de ruimtetijd" van onze bekendste (en naar veler mening de beste) wetenschapsjournalist Govert Schilling. Govert kan als geen ander moeilijke dingen eenvoudig en boeiend uitleggen, een aanrader!

 

 

 

Waarom deze Nobelprijs voor de Natuurkunde zo terecht is.

 

Niels Bohr: Voorspellen is erg moeilijk, vooral als het om de toekomst gaat.

 

Wie had rond 1609 kunnen voorspellen wat de gevolgen zouden zijn van de eerste hemelobservaties met een verrekijkertje door ondermeer Galileo Galilei? Wie had kunnen bevroeden dat dit onooglijke (in Middelburg uitgevonden) apparaatje aan de basis zou staan van een ware revolutie in de wetenschappelijke wereld? Vrijwel al onze uitgebreide kennis van sterren, planeten en het onmetelijke heelal hebben we te danken aan verbetering op verbetering van dat simpele ding dat Galilei toen in zijn handen hield.

 

Vrijwel alle informatie over het heelal en haar myriaden kostgangers komt maar op één manier tot ons, via licht (meer exact, elektromagnetische straling).

 

Het is alsof wij ons in een onbekend oerwoud bevinden en om ons heen kijkend het woud proberen te doorgronden. Heel veel blijft aan ons zicht onttrokken, maar door langdurig zeer nauwkeurig te kijken en alles nauwgezet vast te leggen kunnen we toch veel over het woud te weten komen en krijgen we een mogelijk best wel accuraat totaalbeeld.

 

Maar stel je nu eens voor dat wij niet alleen het stukje bos om ons heen kunnen zien, maar het woud ook kunnen horen. De wind die door de bladeren ruist, het gezoem van insecten dichtbij, de fluitende vogels en brullende apen ver weg. Misschien horen we af en toe een boom bezwijken in de verte. En we horen meer zaken die we onmogelijk kunnen zien, zoals het gekabbel van een beekje achter het struweel, de nadering van een dier in het struikgewas dichtbij, de rommelende donder van een verre onweersbui. En als je je oor op de grond legt, hoor je misschien het gegraaf van een mol of de hoeven van een door een roofdier opgejaagde kudde dieren verderop.

Beeld en geluid combinerend kunnen we tot een véél beter en completer inzicht in het woud komen, het geluid vult het beeld niet alleen aan, samen is het veel meer dan de som van de delen.

 

Welkom bij de geboorte van de multi-messenger astronomie

Voor het eerst zijn wij is staat te kijken én te 'luisteren' naar het heelal. Zwaartekrachtgolven zijn trillingen van de ruimtetijd zelf en werken op een totaal ander fysisch principe dan lichtgolven. Ze laten zich door niets hinderen en trekken met de hoogst mogelijke snelheid net zo makkelijk door de lege ruimte als dwars door een ster of planeet. In het vervolg zal ik de term 'geluid' en 'luisteren' gebruiken voor de waarneming van gravitatiegolven. Niet omdat dit fysisch correct is, maar omdat het een vrij treffende analogie is.

 

Een nieuwe en onbekende observationele wereld opent zich, en als de voortekenen niet bedriegen, zal er gebeuren wat we in de analogie van het woud zo duidelijk herkennen; Beeldinformatie van licht en het geluid van gravitatiegolven gecombineerd zullen ons een veel beter en dieper inzicht geven in het heelal en haar bizarre kostgangers, kennis opleveren over haar ontstaan en haar werking, en het is vrijwel zeker dat we een aantal volkomen onverwachte ontdekkingen zullen doen.

 

Natuurlijk staan wij pas aan het allereerste begin, zoals Gallilei met zijn primitieve instrumentje. Maar de toekomst lijkt zeer veelbelovend, en de ontwikkelingen gaan ongemeen snel.

 

De stand van zaken:
Na de beroemde detectie van de eerste zwaartekrachtsgolven door de twee Ligo instrumenten nu twee jaar geleden zijn er nog drie gevolgd (eigenlijk 4, maar een er van ligt op de grens van het meetbereik en kon niet promoveren tot geverifieerde detectie). De laatste, waargenomen op 14 augustus dit jaar, veroorzaakt door een versmelting van twee zware zwarte gaten met een massa van 30 en 25 zonnen op een afstand van 1,7 miljard lichtjaar, is extra bijzonder. Het is de eerste golf die gehoord is door drie instrumenten: Ligo 1 en 2 in de USA en de net (vrijwel) gereed gekomen Virgo detector in Italië. Het is dus de eerste door Europese instrumenten gedetecteerde rimpeling van de ruimtetijd.
 
Tijdens een symposium drie weken geleden bij het Nikhef in Amsterdam werd omfloerst gewag gemaakt van wellicht wel 7 nieuwe detecties, waarvan een aantal door de drie instrumenten gezamenlijk. Er volgt dus meer, maar de verificatie is een tijdrovend proces.

 

Dat er door meer zwaartekrachtsgolvenobservatoria tegelijk wordt gedetecteerd is belangrijk. Met slechts twee onafhankelijke detecties is de richting vanwaar de gravitatiegolven komen slechts heel ruwweg te bepalen. Het is vrijwel onbegonnen werk om direct na een detectie door twee instrumenten een hele armada van telescopen het vele honderden vierkante graden grote banaanvormige deel van de hemel af te laten speuren naar een eventueel ook zichtbare bron. Die telescopen hebben vaak een heel gering blikveld, soms slechts een paar boogminuten in het vierkant. Het zou, ook met tientallen telescopen, weken of maanden duren voordat een eventuele optische bron in beeld zou kunnen komen, als er na zo'n lange tijd überhaupt nog wat te zien zou zijn.

 

We horen een aap brullen in het woud, ergens links van ons. Geen zinnig mens gaat nu door een rietje kijkend een paar weken de omgeving afspeuren of die aap waar dat geluid bij hoorde nog ergens te vinden is. En was het wel een aap? Ieder geluid is immers nieuw. Maar, als je niet gaat kijken vind je zeker niets.

 

Met drie detectoren tegelijk waarnemen levert al betere resultaten op:

 

gw1.jpg
Het banaanvormige zoekgebied van meer dan 1000 vierkante graden aan de hemel dat uit de data van Ligo 1 en 2 gedestilleerd wordt, is met de detectie door Virgo teruggebracht tot een veel kleinere ellips van 60 vierkante graden. Weliswaar nog steeds een erg groot zoekgebied voor telescopen, maar met wat geluk vangt men wellicht in de nabije toekomst beeld én geluid van eenzelfde bron. Bron: Ligo/Virgo collaboration. Klik voor grotere weergave.

 

Met Virgo als partner voor Ligo1 en 2 houdt het niet op. In Duitsland is er de Geo600 detector, wat kleiner dan Ligo en Virgo, in Japan is de Karga detector in aanbouw (gereed 2019) en in India zijn de plannen voor de Ligo India detector in een vergevorderd stadium. Al deze detectoren gaan samenwerken als één groot over de aardbol verspreid netwerk. Niet alleen zal dat leiden tot veel meer detecties van gravitatiegolven en meer details in de waarnemingen, ook de richtinggevoeligheid neemt sterk toe. Het gebied aan de hemel waar het signaal vandaan kwam wordt zo klein dat de kans op een geslaagde optische opvolging beduidend groter wordt.

 

Maar, er is een probleem.

Net zoals elektromagnetische straling onderverdeeld kan worden in zichtbaar licht, de onzichtbaar infrarode-,  ultraviolette-  en zeer kortgolvige röntgenstraling en de zeer lange radiogolven, hebben ook gravitatiegolven verschillende golflengten. De huidige detectoren kunnen maar een gering deel van het gravitatiegolfbereik bestrijken. Net als bij de elektromagnetische straling zijn er eigenlijk instrumenten nodig die speciaal voor een bepaald golflengtebereik ontworpen zijn, zoals de infrarood James Webb telescoop, de 'gewoon' licht telescoop Hubble, de röntgentelescoop Chandra en de gammastralen telescoop Fermi dier ieder verschillende gebieden van het elektromagnetisch spectrum bestrijken. Dan pas kunnen we alle geluiden horen, ook de zeer lage en zeer hoge tonen.

 

Hoe zwaarder de objecten die samensmelten of rond elkaar draaien en daarbij zwaartekrachtgolven veroorzaken, hoe langer de golflengte is. Een zeldzame samensmelting van twee superzware zwarte gaten van twee sterrenstelsels zendt zwaartekrachtgolven van zeer grote lengte en dus een heel lage frequentie uit. Twee samensmeltende neutronensterren zenden vlak voor hun einde juist golven met een vrij hoge frequentie uit. Ligo en Virgo zijn juist gevoelig voor het gebied daartussen en het is dan ook niet verbazingwekkend dat ze tot nu toe alleen samensmeltingen van middelgrote zwarte gaten detecteren.

 

Even terug naar dat oerwoud: We hebben een ernstige gehoorbeperking en kunnen alleen harde middentonen horen. Hoge tonen van het gezoem van insecten, de vogelzang en de kabbelende beek achter het struweel ontgaan ons, evenals de donkere roffel van de hoeven in de verte en de brul van een leeuw met trek. Pas als het geluid hard en niet te hoog of te laag is, kunnen we het horen. Nu maar hopen dat wij de bron nog zien voor het mogelijk te laat is. We hebben nood aan betere en gevoeliger oren, zodat we de buffels (en die leeuw ook graag) al van ver horen aankomen.

 

Daarom zijn de derde generatie detectoren al in ontwerp, in het bijzonder LISA en de Einsteintelescoop.

 

Lisa

Lisa is een uit drie satellieten bestaand instrument dat enorm lange 'armen' heeft. Bij Ligo en Virgo zijn de armen 3 tot 4 kilometer, die van Lisa worden vijf miljoen kilometer lang, want dat is de afstand tussen de satellieten die in een driehoeksformatie in de ruimte gaan zweven, ver weg van de storende trillingen van aardbevingen, vrachtwagens en dichtslaande deuren. Het heelal galmt, zoemt, bromt en trilt continue als gevolg van heftige kosmische gebeurtenissen, vaak ver weg en lang geleden. Minuscule afstandsvariaties tussen de drie satellieten verraden het resulterende rekken en krimpen van de ruimtetijd.

 

lisa.png
De Lisa interferometer in de ruimte. Bron: Esa

 

De voorganger van Lisa was de Lisa pathfinder, een prototype dat aan moest tonen dat de precisie die Lisa nodig heeft te bereiken valt. Ze is een ruim jaar geleden gelanceerd en de tests zijn inmiddels afgerond. De resultaten zijn ruim beter dan verwacht. Dus heeft de ESA besloten dit project doorgang te laten vinden. Lisa, een Europees project met een forse inbreng van Nederland, gaat naar verwachting in 2034 de ruimte in. Lisa zal gevoelig zijn voor frequenties tussen 1/10.000 en 1 Hertz (ter vergelijking Ligo's hoogste gevoeligheid ligt rond 100 Hertz).

 

Einsteintelescoop

En dan is er de Einsteintelescoop. Mijn geluidsanalogie volgend zou dit observatorium beter de Einstein Richtmicrofoon kunnen heten. De term telescoop vind ik eigenlijk nog verwarrender, want met licht heeft dit instrument juist niets van doen, maar dit terzijde. Ook de Einsteintelescoop is een Europees initiatief, en ook hier speelt Nederland (onder andere Nikhef) een belangrijke rol, net als bij Virgo en Lisa. Misschien wordt de Nederlandse rol wel heel groot, want dit ondergrondse observatorium zou wel eens in de Zuid-Limburgse bodem gebouwd kunnen worden. Een wetenschappelijk megaproject en Nederland mag het misschien (vanwege de afmetingen, een slordige 30 kilometer, wellicht samen met België en/of Duitsland) huisvesten. Hopelijk gaat het project door. Ik ben er helemaal voor.

 

einstein telescoop in Limburg impressie.jpg

Impressie van de Einsteintelescoop in de Limburgse bodem. Bron: www.et-gw.eu

 

Dit ondergrondse observatorium heeft 3 armen van 10 kilometer lengte en gaat meerdere meetinstrumenten tegelijk omvatten. De gevoeligheid wordt minimaal 10 keer groter dan die van Ligo en het frequentiebereik loopt van 1 tot 10.000 Hertz.

 

We hebben als dit allemaal gerealiseerd wordt een prima set oren en kunnen het zachte geritsel van bladeren en de verre roffel van buffelhoeven horen. Ze komen in onze richting, er zit een leeuw achteraan en over tien minuten zijn ze hier. Tijd om het beekje dat we daar achter de struiken kunnen horen kabbelen over te steken.

 

De toekomst:

 

NIEUWSFLITS: Over een maand, op donderdag 22 september 2039 om 21:06 uur GMT, zal in het sterrenbeeld de Stier een samensmelting van een neutronenster van twee zonmassa's met een zwart gat van 40 zonmassa's waar te nemen zijn. Er wordt groots kosmisch vuurwerk verwacht. Richt uw krachtigste telescopen op het aangegeven punt en komt dat zien!

 

Een onzinnige toekomstfantasie? Nee.

 

Met de komst van derde generatie zwaartekrachtsgolvenobservatoria is dit heel goed mogelijk. Lisa heeft de extreem zwakke en lage bromtoon van een neutronenster die steeds sneller en dichter rond het zwarte gat spiraliseert al maanden geleden ontdekt en geanalyseerd. De Einsteintelescoop hoorde het snel tollende sterrenrestant al langer zoemen, en uit de wisselende toonhoogte kon de baan rond het op zijn maaltijd wachtende zwarte gat exact berekend worden. Nu maakt de neutronenster nog in 1 uur een rondje om het black hole, maar dat zal steeds sneller en sneller gaan. Supercomputers hebben het rekenwerk verricht en de dodenspiraal doorgerekend. Het apocalyptische einde van de ster over een maand vanaf nu is tot op de minuut nauwkeurig bekend. We hebben het spektakel al aan horen komen ruim voordat de botsing met bijbehorende lichtshow plaats zal vinden.

 

En dan hebben we dus oren die op tijd verraden in welke richting we moeten kijken en is de multi-messenger astronomie de kinderschoenen ontstegen.

 

Dan horen we de bromtoon van snel om elkaar draaiende neutronensterren, het schrille gefluit van een neutronenster die in een zwart gat verdwijnt, de lage donderroffel van twee reusachtige zwarte gaten die miljarden lichtjaren verderop een trage dodenwals dansen, het knetteren en rommelen van een exploderende ster onzichtbaar achter wolken van stof en gas, de penetrante zoemtoon van een razendsnel roterende neutronenster, en wellicht als een zacht eeuwigdurend gesis de nagalm van de oerknal die tot dit moment verborgen bleef achter het voor lichttelescopen ondoordringbare sluiergordijn van de kosmische achtergrondstraling.

 

En wie weet wat we allemaal aan nieuwe, onbekende, geluiden horen en wat dat dan weer voor een revolutie in de astronomie tot gevolg zal hebben.

 

En daarom is naar mijn mening deze Nobelprijs zeer terecht toegekend aan hen die zich ingespannen hebben om deze nieuwe en veelbelovende tak van de astronomie mogelijk te maken.
 

Motus inter corpora relativus tantum est.

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Michel Uphoff

    Michel Uphoff


  • >5k berichten
  • 6243 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 16 oktober 2017 - 21:00

Opmerking moderator :

En 12 dagen na het schrijven van dit stukje is het al zo ver. We hebben voor het eerst geluisterd én gekeken, geweldig nieuws! Zie daarvoor het zwaartekrachtgolven topic KLIK

Motus inter corpora relativus tantum est.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures