Wat betekent het eigenlijk dat er gravitatiegolven gevonden zijn?

Update 11 februari: Onderstaand artikel werd geschreven over de vorige (valse) ontdekking van gravitatiegolven. Maar het komt op het zelfde neer. Gravitatiegolven zijn gravitatiegolven, yo.

Er is weer iets ontdekt! Iets spectaculairs, waar niemand iets van snapt! Maar gelukkig besta ik om het uit te leggen aan jou, de bovengemiddeld geïnteresseerde en knappe mens, wat het nou eigenlijk betekent dat er gravitatiegolven gedetecteerd zijn en er dus voor het eerst bewijs is voor de inflatietheorie! Dat is spannend. Maar waarom!? Hang aan mijn lippen, ik ga knowledge op je leggen.

Ten eerste is het goed om wat basisbegrippen uit te leggen, omdat zowel het woord "gravitatiegolven" als "inflatietheorie" je waarschijnlijk net zo weinig zeggen als "hypotheekrenteaftrek." Ik noem ze nu basisbegrippen, maar als je eenmaal weet wat ze betekenen dan ben je een mentaal rijker persoon dan je was voor je dit stuk las!

Voor het geval dat dit je totaal niet interesseert, hier een tl;dr: Inflatietheorie is een kosmologische theorie over het begin van het universum, waarvoor nog nooit experimenteel bewijs gevonden was, tot gisteren tenminste, want nu is er wel bewijs in de vorm van gravitatiegolven. Heeft dit je wijzer gemaakt, stuk ongeduld? NEE! Dus lees gewoon even het hele stuk, kennis is belangrijk.

Ok, leggo: Nadat het universum ineens ontstond tijdens de Oerknal, maakte het volgens de inflatietheorie een hele korte periode van intense groei mee. Alles wat nu bestaat zette tussen 10-36 seconde en 10-32 seconde met meer dan de snelheid van het licht uit. Ondanks de hersensmeltend snelle uitdijing was het universum - en nogmaals, dat is dus alle materie die nu bestaat - aan het einde van deze plotselinge groei zo groot als een zandkorrel. Alles wat bestaat! Ter grootte van een zandkorrel!

Daarna bleef het universum doorgroeien, zij het op een iets relaxter tempo, en zet terwijl ik dit aan het opschrijven ben nog altijd uit.

De inflatietheorie werd in 1980 voorgesteld door de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth om een aantal problemen op te lossen waar de kosmologie op dat moment mee kampte. De problemen kwamen er in feite op neer dat als het universum vanaf de oerknal gewoon met de dezelfde snelheid als nu uit zou zetten, het er totaal anders uit zou zien - namelijk als een grote klomp materie in een verder grote lege ruimte. Maar zo ziet het universum er dus helemaal niet uit!

Materie (sterren, sterrenstelsels, etc) is verassend gelijkmatig verdeeld over de ruimte. En dat zou alleen mogelijk zijn als het hele jonge universum extreem snel uit had gezet, daarbij materie gelijkmatig verdelend over de uitzettende ruimte.

Dat klinkt ingewikkeld, maar dat is het eigenlijk niet! Stel je voor dat een heleboel mensen in een hele kleine ruimte bij elkaar staan, heel ongemakkelijk dicht bij elkaar. Dat was een beetje hoe het universum was. In een universum zonder inflatie zou de ruimte langzaamaan heel groot worden, en de mensen - die het liefst lekker bij elkaar klitten, net als materie - zouden hooguit ietsje verder uit elkaar gaan staan, waardoor er dus een groepje mensen bij elkaar blijft staan in een hele grote ruimte. Met inflatie gebeurt er iets anders.

In plaats van dat de ruimte heel langzaam uitzet, wordt die heel plotseling heel erg groot. Inclusief het tapijt, waar kleine onregelmatigheden ook heel groot worden en dus de mensen alle kanten op meetrekt, waardoor ze aan het einde van de wilde tapijtrit min of meer verdeeld over de ruimte staan. Bij inflatie waren die onregelmatigheden quantumfluctuaties (waar we verder niet op in hoeven te gaan) en die zorgden er uiteindelijk voor dat materie ongeveer gelijk verdeeld werd over het universum.

Duidelijk? Mail me maar als je antwoord nee is. Enfin, inflatie dus. Het lijkt al jaren een erg overtuigende theorie, maar daar bleef het ook bij: een theorie. En om die theorie aannemelijk te maken moet er bewijs zijn. Bewijs dat nu dus waarschijnlijk gevonden is in de vorm van gravitatiegolven.

Dan komen we aan bij het volgende probleem: wat zijn gravitatiegolven? Mocht je het niet weten: gravitatie is een ander woord voor zwaartekracht. Het zijn dus zwaartekrachtgolven. Echt raar en bijna niet voor te stellen, maar probeer het toch maar. Gravitatiegolven ontstaan bij enorme ruimtegebeurtenissen zoals supernova-explosies of twee superzware sterren die om elkaar heen draaien en zijn 'golven' in de ruimtetijd. In feite kun je ze zien als een geluidsgolf, maar in plaats van lucht die uitzet en samentrekt, is het de ruimte zelf die dat doet. Oh en had ik al gezegd dat gravitatiegolven een miljoen keer kleiner zijn dan een atoom? Dat maakt ze namelijk extreem moeilijk te meten.

Toch zijn mensen er al geruime tijd mee bezig, omdat het spannend is, en omdat het detecteren van gravitatiegolven waarschijnlijk een Nobel-prijs oplevert.

Één methode om die gravitatiegolven te detecteren is met een interferometer. Deze bestaat uit een laser die gesplitst wordt in twee even lange stralen die haaks op elkaar staan. Als daar een gravitatiegolf doorheen beweegt wordt door de compressie in ruimtetijd de ene arm langer en de andere arm korter, en ontstaat er een interferentiepatroon dat gemeten kan worden. Maar gravitatiegolven zijn extreem klein. In Amerika staat bijvoorbeeld een interferometer, LIGO, met armen van vier kilometer lengte - ze moeten heel lang zijn om een golf te kunnen detecteren - en de verandering van lengte is in de orde van een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een meter. LIGO heeft dan ook geen resultaat opgeleverd in de acht jaar waarin die actief was.

Gelukkig bestaan er ook andere methodes om gravitatiegolven te vinden, hoewel die minder direct zijn dan de methode van LIGO.

Eén daarvan is het experiment dat nu claimt voor het eerst gravitatiegolven te hebben gemeten in het oudste licht van het universum. Of tenminste, de wetenschappers hebben een bepaald soort straling gevonden, die alleen veroorzaakt kon worden door gravitatiegolven in het vroege universum.

Hoe ze dat precies gedaan hebben is verschrikkelijk ingewikkeld, maar het komt erop neer dat gravitatiegolven straling van een bepaalde golflengte op een hele specifieke manier polariseert en dat ze die specifieke polarisatie nu waarschijnlijk hebben gedetecteerd. En daarmee dus een redelijk overtuigend bewijs hebben gevonden voor het plaatsvinden van inflatie en de oerknal.

Maar het wordt nóg mooier, als de resultaten tenminste worden ondersteund door verdere experimenten. In tegenstelling tot de ontdekking van het Higgs-boson, waarvan het bestaan simpelweg werd bevestigd, is het met de meting van gravitatiegolven mogelijk om een waarde te meten van de energie aan het begin van de inflatie. En dat is informatie die nooit eerder bekend was.

De vondst betekent niet alleen dat wetenschappers nu nog dichterbij het begin van het universum kunnen kijken dan ooit tevoren, maar ook dat een hele hoop andere theorieën die de ronde deden, uitgesloten worden. Balen dus, voor een hele hoop theoretici.

Zoals bij elke grote ontdekking, roept de detectie van gravitatiegolven een hoop nieuwe vragen op. Met het bevestigen van het inflatiemodel, wordt namelijk ook bevestigd dat er een heel definitief begin was van ons universum. Een begin waarvan niemand precies weet wat het was, en nog belangrijker: wat er daarvoor was. Of juist niet was. Genoeg vragen dus voor die theoretici die hun modellen nu richting prullenbak kunnen mikken.

Met dank aan Jan Tauber (mijn pa, die dit soort dingen écht snapt) voor de uitleg die ik waarschijnlijk vermangeld heb