Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: kunnen we ongestraft morrelen aan de snelheid van zwaartekrachtgolven in het vroege heelal?

Op foto’s van een kernreactor zie je vaak zo’n spookachtige, blauwe gloed. Tsjerenkov-straling heet die; een verschijnsel dat wordt veroorzaakt door geladen deeltjes die sneller door het water gaan dan licht. Net zoiets zou in het vroege heelal kunnen zijn gebeurd, maar dan bij deeltjes die ‘sneller dan de zwaartekracht’ door de ruimte schoten.

Oké, volgens de nu gangbare zwaartekrachttheorie – Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie – is dat helemaal geen optie. Maar er zijn in de loop der jaren ook een boel niet-gangbare theorieën bedacht, waarin het allemaal net even anders zit. En dat soort theorieën kun je aan de hand van de zwaartekrachtversie van tsjerenkov-straling op de testbank leggen, laten natuurkundige Paola Delgado van de Tsjechische Academie der Wetenschappen en collega’s zien in een recent wetenschappelijk artikel.

Meer van Far Out:

• Natuurkundigen: met een warp drive zou je door een zwart gat kunnen vliegen
• Waren er vlak na de oerknal zwarte gaten met een kleurtje?

Even snel

Even terug naar die kernreactor. Hoe kan dat eigenlijk: deeltjes die daar sneller dan het licht doorheen gaan? Nou, doordat licht niet op topsnelheid door water gaat. In een vacuüm beweegt licht zich voort met 300.000 kilometer per seconde – en dat is een absolute snelheidslimiet: alle deeltjes met een massa zijn gedoemd trager te bewegen.

Maar in water zit het anders. Daar gaat licht ‘maar’ zo’n 225.000 kilometer per seconde, waardoor er wél deeltjes kunnen zijn die harder gaan. En net zoals een vliegtuig dat sneller dan het geluid gaat een supersonische knal veroorzaakt, kunnen elektrisch geladen deeltjes het blauwe schijnsel opwekken dat kernreactoren hun specifieke look geeft.

Nu naar de zwaartekracht. Dat verschijnsel verspreidt zich, voor zover we weten, met precies dezelfde snelheid als het licht door de ruimte. In 2017 hebben we dat zelfs kunnen testen. Toen zagen we namelijk twee neutronensterren op elkaar botsen. En bij die gebeurtenis werd niet alleen licht uitgezonden, maar ook zwaartekrachtgolven: trillingen in de ruimtetijd die zich als rimpels in een vijver naar buiten toe bewegen. Beide soorten ‘boodschappers’ uit het heelal bleken op hetzelfde moment bij onze aardse telescopen en detectors aan te komen. Dat liet zien dat ze even lang hadden gedaan over hun reis van de neutronensterbotsing naar hier – en dus even snel moeten hebben bewogen.

Zwaartekrachtdeeltjes

Oké, helder, kun je dan zeggen. Zwaartekrachtgolven gaan met de lichtsnelheid door het heelal, precies zoals we dachten. Maar er zijn ook natuurkundigen die het daar niet bij laten zitten. Die zeggen: ho, ho, dat is dan nú zo – als in: de afgelopen paar miljard jaar – maar misschien zat het in het vroege heelal wel anders. Wie weet bewogen zwaartekrachtgolven toen wel trager door de ruimte dan licht. En dat zou deeltjes in dat piepjonge heelal de gelegenheid geven om sneller dan zwaartekrachtgolven te bewegen – iets wat in het huidige heelal net zo min een optie is als sneller dan het licht door een vacuüm bewegen.

Wat voor gevolgen zouden zulke deeltjes dan hebben? Nou, net zoals een vliegtuig een supersonische knal veroorzaakt en een deeltje in een kernreactor blauw licht, zou een deeltje dat sneller dan de zwaartekracht gaat een stroom aan ‘zwaartekrachtdeeltjes’ produceren, zogenoemde gravitonen. “Vooralsnog zijn dat hypothetische deeltjes”, zegt Delgado. “Maar er zijn wel sterke theoretische redenen om aan te nemen dat ze bestaan. Het is alleen technisch heel moeilijk om ze waar te nemen, doordat de zwaartekracht zo zwak is op kleine schaal.”

Oké, stel dat snelle deeltjes in het vroege heelal inderdaad van die gravitonen in het rond strooiden. Wat voor gevolgen zou dat dan hebben? Dan zou het heelal aanmerkelijk méér snelle deeltjes bevatten – in de vorm van die uitgezonden gravitonen. Door die deeltjes zou het heelal sneller zijn uitgedijd dan anders het geval was geweest. En dat zou weer de vorming van de elementen in het heelal hebben beïnvloed. In zo’n sneller uitdijend heelal zou bijvoorbeeld meer helium zijn ontstaan dan in een heelal zónder deze zwaartekrachtvariant op tsjerenkov-straling, zegt Delgado.

Gezond en wel

Maar: je kunt niet zomaar veranderen hoeveel er vlak na de oerknal van elk element is ontstaan. We wéten hoeveel waterstof, hoeveel helium en hoeveel lithium het vroege heelal bevatte. Dat legt dus beperkingen op aan hoeveel je kunt morrelen aan de snelheid van de zwaartekracht. Maak je die al te laag, dan zou dat zomaar een andere samenstelling van het heelal kunnen opleveren dan we waarnemen.

Die gedachte gebruiken Delgado en collega’s in hun artikel om te kijken of ze beperkingen kunnen opleggen aan theorieën waarin zwaartekrachtgolven trager bewegen dan het licht. In eerste instantie draaien ze daarbij simpelweg de zwaartekrachtsnelheid wat terug, terwijl ze al het andere ongemoeid te laten. Dat blijkt niets bruikbaars op te leveren; in dat geval is elke zwaartekrachtsnelheid toegestaan zonder dat de verhoudingen tussen de elementen in het gedrang komen. Maar als ze vervolgens kijken naar specifiekere alternatieve zwaartekrachttheorieën met een lagere zwaartekrachtsnelheid, dan is daar wel degelijk iets over te zeggen.

Goed, geen van die theorieën kan gelijk de prullenbak in. “Ze zijn allemaal nog gezond en wel”, zegt Delgado. “Wel moeten hun zwaartekrachtgolven boven een bepaalde snelheid bewegen.” Een beetje teleurstellend misschien, maar, in de woorden van theoretisch natuurkundige Marieke Postma van Nikhef en de Universiteit van Amsterdam, zelf niet betrokken bij de studie: “Alle beperkingen die je aan theorieën kunt opleggen, zijn welkom.”

Deze Far Out staat ook in KIJK 4-2025.