Met de maan ‘onmeetbare’ zwaartekrachtgolven oppikken

Jean-Paul Keulen

24-07-2022 10:00:00

maangolven

Als passerende zwaartekrachtgolven precies de juiste frequentie hebben, kunnen ze de baan van de maan rond de aarde een klein beetje veranderen.

Door goed naar de baan van de maan te kijken, zouden we gravitatiegolven kunnen opmerken die we nu nog missen, denken deze natuurkundigen.

Toen in februari 2016 bekend werd dat het experiment LIGO zwaartekrachtgolven had gemeten, ging er een heel nieuwe wereld open voor astronomen. Eeuwenlang hadden ze vrijwel al hun informatie over het universum uit licht moeten halen. Maar ineens kwam daar een totaal nieuwe vorm bij: trillingen in de ruimtetijd, al voorspeld door Albert Einstein in 1916. Een deel van die trillingen kunnen we alleen niet meten met LIGO of vergelijkbare detectors. De Spaanse natuurkundige Diego Blas en zijn Britse collega Alexander Jenkins hebben nu een manier bedacht om dat toch te doen: door de afstand tot de maan zo nauwkeurig mogelijk in de gaten te houden.

Lees ook:

Nieuwe verschijnselen

Om wat voor zwaartekrachtgolven gaat het dan? Daarvoor is het handig om even terug te gaan naar de traditionele manier om iets over het heelal te weten te komen: licht. Of, preciezer gezegd: elektromagnetische straling. Zulke straling heeft altijd een frequentie: het aantal keren per seconde dat zo’n golf trilt, weergegeven in de eenheid hertz. Is die frequentie extreem hoog – in de orde van tientallen tot honderden triljoenen hertz – dan spreek je van gammastraling.

Bij lagere frequenties heb je het achtereenvolgens over röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood, microgolfstraling en radiostraling. En al die soorten straling kun je niet met het zelfde type telescoop observeren. Voor gammastraling heb je bijvoorbeeld gespecialiseerde satellieten nodig, terwijl je radiogolven oppikt met grote schotels of velden vol antennes. Iets vergelijkbaars geldt voor zwaartekrachtgolven.

Experimenten zoals LIGO pikken golven op met frequenties vanaf een paar hertz. LISA, een ruimtemissie van drie in formatie vliegende ruimtescheepjes, gaat vanaf 2034 zwaartekrachtgolven meten met lagere frequenties: tot 0,001 hertz. En zwaartekrachtgolven met frequenties onder de 0,0000001 hertz hopen we te kunnen waarnemen door te kijken naar snel roterende neutronensterren, genaamd pulsars.

Maar de zwaartekrachtgolven tussen 0,001 hertz en 0,0000001 hertz, ook wel microhertzgolven, gaan vooralsnog ongezien aan ons voorbij. En dat is erg spijtig, schrijven Blas en Jenkins in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters. Want dit soort zwaartekrachtgolven “kunnen signalen bevatten van nieuwe verschijnselen die bij andere frequenties moeilijk te observeren zijn”. Wat de twee natuurkundigen betreft is het dus van groot belang om een manier te bedenken om ze toch te meten.

Zwaartekrachtgolven met héél lage frequenties zijn te meten met een zogenoemde pulsar timing array: een netwerk van roterende neutronensterren die met een heel regelmatig tempo straling het heelal in slingeren. © DAVID J. CHAMPION/MAX PLANCK INSTITUTE

Futuristisch idee

Nu schreef een grote groep natuurkundigen vorig jaar al een flink artikel over een plan om microhertzgolven op te pikken: plaats drie satellieten grofweg op dezelfde afstand tot de zon als de planeet Mars, en wel op zo’n manier dat ze op de hoekpunten staan van een enorme gelijkzijdige driehoek met de zon in het midden. Als je dan ook nog wil weten waar de gemeten microhertzgolven vandaan komen, heb je nóg drie van die satellieten nodig, in een driehoek die haaks staat op de eerste. “Zulke ideeën blijven nog even futuristisch”, schrijven Blas en Jenkins diplomatiek.

Hun idee lijkt inderdaad een stuk haalbaarder: kijk aandachtig naar de maan. In de basis beschrijft die een bijna cirkelvormige ellipsbaan rond de aarde. Maar als er een microhertzgolf voorbijkomt, kan deze baan daardoor een heel klein beetje gaan afwijken van die ellips. En door met moderne lasertechnieken de afstand tot de maan heel precies te bepalen, schrijven Jenkins en Blas, moet dat verschil te meten zijn.

Puntje is alleen dat niet élke microhertzgolf de baan van de maan kan veranderen. Zo’n golf moet daarvoor precies de juiste frequentie hebben. Vergelijk het met een stemvork die alleen spontaan begint te trillen als je een nabije stemvork aanslaat die een toon produceert met exact dezelfde frequentie. Bovendien is het effect veel sterker als zwaartekrachtgolven met de juiste frequentie een hele tijd voorbij blijven komen, in plaats van eenmalig te passeren.

Continue achtergrond

Dat klinkt misschien als twee voorwaarden waar moeilijk aan te voldoen is, maar dat valt mee. In eerste instantie willen Blas en Jenkins namelijk niet gaan jagen op afzonderlijke zwaartekrachtgolven. In plaats daarvan rekenen ze op de zogenoemde zwaartekrachtgolvenachtergrond: een optelsom van zwaartekrachtgolven met allerlei verschillende frequenties die niet van elkaar te onderscheiden zijn (zie ook de Far Out van KIJK 1/2022). Daar zal dan de frequentie die de maanbaan van slag kan brengen geheid tussen zitten. Bovendien is die achtergrond er continu – dus zal hij ook continu effect hebben op de afstand aarde-maan.

Best een kansrijk idee dus. Met als grote pluspunt dat we er geen miljarden kostende detector of ambitieuze ruimtemissie voor op poten hoeven te zetten.

Deze Far Out staat ook in het extra dikke zomernummer van KIJK, via onderstaande knop te koop.

Bronnen: Physical Review Letters, APS Physics, Experimental Astronomy

Beeld: TETRA IMAGES/ALAMY/IMAGESELECT



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Artikelen