Inhoudsopgave
Op donderdag 11 februari (2016) publiceerde Fox News een artikel met de volgende kop: “Wetenschappers vinden een bewijs van de zwaartekrachtgolven die Einstein voorspelde.” Het artikel zelf opende met de tekst: “Na decennia van zoekwerk hebben wetenschappers donderdag aangekondigd dat ze zwaartekrachtgolven hebben gedetecteerd – in feite rimpels in de structuur van de tijdruimte – die door Einstein waren voorspeld. Een internationaal team van astrofysici zei dat ze de golven van een botsing van twee ver-verwijderde zwarte gaten hadden gedetecteerd, met behulp van een instrument van 1,1 miljard dollar. De LIGO-groep (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) is verantwoordelijk voor deze ontdekking en het artikel is geaccepteerd voor publicatie in ‘Physical Review Letters’ ”.
Gebruikte apparatuur
Het artikel in Physical Review Letters geeft gedetailleerde informatie. Hieruit kunnen verschillende belangrijke punten worden afgeleid. Ten eerste, in deze experimentele techniek moet dezelfde golf twee verschillende maar gelijkaardige instrumenten passeren die door een grote afstand zijn gescheiden. Elk instrument bestaat uit twee armen van rond 4 km lang in een L-vorm, op welks uiteinden spiegels zijn geplaatst zodat elke beweging vergroot wordt. Zo’n opstelling wordt een ‘interferometer’ genoemd, en velen zijn bekend met de gewone, optische versies van dit instrument. Maar in dit geval fungeren de spiegels als massa’s die heel minuscuul bewegen als er zwaartekrachtgolven in de buurt zijn die het aardse zwaartekrachtveld iets versterken of verzwakken. Een laserstraal wordt heen en weer gekaatst tussen de spiegels in het systeem. Als dan de afstand tussen de spiegels verandert als gevolg van de erop werkende krachten, vergroot de L-vormige opstelling deze bewegingen vele malen. Deze opstellingen op twee locaties, in Livingston Louisiana en Hanford, Washington in de VS, vormen samen de LIGO detector.
Voorzorgsmaatregelen voor het experiment
Een van de belangrijkste eisen was, dat elke detector zorgvuldig afgeschermd zou zijn voor alle lokale invloeden ten gevolge van bodembewegingen door verkeer, kleine aardbevingen of drukveranderingen door weercondities, etcetera. Golven die ontstaan door hoogspanningsleidingen waren ook afgeschermd. Een zeer complex systeem was ontworpen om deze veranderingen te ontdekken en op het meetresultaat te corrigeren. De afstand tussen de twee LIGO’s zorgde ervoor dat lokale verstoringen niet zouden worden opgepikt door de andere LIGO. Verder zou alles wat in de aarde zelf ontstaat, en dus gedetecteerd in beide systemen, geëlimineerd kunnen worden.
Bovendien waren de instrumenten ontworpen om een piek-respons af te geven voor zwaartekracht-verschijnselen, die hoofdzakelijk in de 35-350 Hertz range liggen. Eén Hertz is één cyclus of golf per seconde. Andere verschijnselen hebben golfvormen in een andere frequentieband. Hoewel deze kunnen worden gemeten, filteren de LIGO-systemen ze uit. Toen de golven eenmaal door de twee stations waren ontvangen en geanalyseerd, werd de kans dat het een vals alarm zou zijn berekend op 2 op miljoen, en men verwachtte dat dat niet vaker dan eens in de 22.500 jaar zou voorkomen. Dus toevallige gebeurtenissen zijn effectief uitgesloten.
Het belang van timing
Er is nog één belangrijk punt. Volgens Einsteins relativiteitstheorie moeten zwaartekracht-verschijnselen zich voortplanten met de lichtsnelheid. Sommigen, zoals de astronoom Tom van Flandern(†) zetten hier vraagtekens bij. Op grond van waarnemingen suggereerde hij dat zwaartekracht-verschijnselen meer dan 1010 maal sneller dan het licht kunnen zijn. Maar als we zijn bezwaar even opzij zetten, en voorlopig Einsteins limiet nemen, de huidige lichtsnelheid, dan kunnen ongewenste signalen uitgefilterd worden.
Bijvoorbeeld, als een signaal vijf minuten nodig zou hebben om van de ene LIGO naar de andere te gaan, dan gaat het beslist niet met de lichtsnelheid, omdat het licht slechts 10 milliseconden nodig heeft om die afstand te overbruggen. (En dat zou nog korter zijn als Van Flandern gelijk had.) Ieder signaal dat meer dan 10 milliseconden nodig heeft tussen de ene LIGO en de andere moet dus worden genegeerd, waardoor veel potentiële kandidaten afvallen.
En het is ook dit gegeven waardoor de detectors de richting van het signaal kunnen bepalen. Dat wordt bepaald door welk station het signaal het eerst oppikt, alsook het tijdverschil tussen de twee signalen. Zodoende is vastgesteld dat in dit geval het signaal vanuit het zuiden kwam en in noordelijke richting ging, met de snelheid van het licht. Nauwkeuriger berekening leerde dat het kwam ergens vanuit een gebied van 60 vierkante graden aan de zuidelijke hemel (een cirkel met doorsnede van 27,6 graden). Gezien de hele zichtbare hemel 41.253 vierkante graden omvat (een cirkel met een doorsnede van 230 graden), is dat niet slecht gedaan, met maar twee stations! Met meer stations zou dat nog verder kunnen worden verfijnd. Momenteel wordt een derde station overwogen voor India om te assisteren in locatie-analyses.
De huidige resultaten
Het vastgelegde signaal werd opgepikt op 14 september 2015 en was in de vorm van een golftrein met toenemende amplitude en frequentie. Over een periode van 1/5 seconde bestond de golftrein uit 9 pieken met toenemende amplitude (hoogte), waarvan de frequentie toenam van 35-250 Hertz, waarna de golftrein snel ineen zakte naar nul. De vorm was exact gelijk voor beide stations met 10 milliseconden tijdverschil. Het signaal was 24 maal sterker dan de achtergrondruis. Dat zijn de feitelijke gegevens waarmee we het moeten doen.
Was het een zwaartekracht-signaal?
Het actueel vastleggen van zo’n signaal is beslist een belangrijke stap. Hoewel de oorsprong iets anders kan zijn dan zwaartekracht, is zwaartekracht toch wel de eerste verdachte in dit geval. Dat is omdat lange golflengte/lage frequentie golven voorspeld zijn voor ‘zwaartekracht’-verschijnselen in diverse modellen, apart van de Einsteinse benadering. En dit is ook precies wat er in dit geval ontdekt werd. Het is moeilijk om een andere bron voor deze golven te bedenken die de afgeschermde LIGO-detectors 10 milliseconden na elkaar zou beïnvloeden. Bedenk echter dat het woord ‘zwaartekracht‘ verschillende verklaringen kan hebben in verschillende modellen. Daarover later.
Interpretaties en computer-modellering
De gegevens staan niet ter discussie. Het gebeurde en het is uniek. Het is de interpretatie van de gegevens die zoveel media-aandacht heeft veroorzaakt. De interpretatie die naar voren is gebracht, is dat de golven te maken hebben met de fusie van twee zwarte gaten. Deze interpretatie volgde uit een zeer uitgebreide computer-modellering, gekoppeld aan een massa esoterische relativistische wiskunde. De argumentatie gaat ongeveer zo: de gedetecteerde golftrein is typisch voor twee lichamen die rond elkaar draaien, elkaar snel naderen en zwaartekracht-energie uitstralen. Het ogenblik van de fusie is gegeven door de hoogfrequente piek amplitude, omdat de golftrein daarna inzakte. De interpretatie is dat dit een fusie is van de twee lichamen, omdat daarna geen signaal meer is ontvangen. Dat lijkt een redelijke conclusie.
Maar. . . computer-modellering en relativistische vergelijkingen suggereren dat precies deze golftrein kon worden veroorzaakt door de fusie van twee zwarte gaten, nadat ze om elkaar heen gedraaid hadden, en dan alleen maar als deze zwarte gaten massa’s hadden van 36, resp. 29 zonnemassa’s. De resulterende massa van het gefuseerde zwarte gat zou dan 62 zonnemassa’s zijn, met 3 zonnemassa’s uitgestraald als zwaartekrachtgolven. Dit was de conclusie na 5 maanden van computer-analyse en modellering van het ontvangen signaal.
Een alternatieve verklaring
Verschillende zwaartekracht-modellen geven elk weer andere antwoorden. Er is echter een alternatieve verklaring, die niet de omvangrijke computer-modellering en de fantastische wiskunde nodig heeft. Een geïntegreerd model ontstaat uit de natuurkunde van de Stochastische Elektrodynamica (SED) en een studie van de zero point energie (ZPE), dat potentieel bruikbare alternatieven oplevert.
Het ZPF (zero point field) bestaat uit elektromagnetische golven van alle golflengten die het vacuüm vullen. Deze golven werken continu op elkaar in en vormen energie-concentraties, die resulteren in uiterst kort bestaande virtuele deeltjesparen. Deze deeltjesparen zijn positief en negatief geladen, bijvoorbeeld elektron/positron paren of proton/antiproton paren, etcetera. Deze bonte massa van geladen deeltjes geeft het vacuüm (de wereldruimte), samen met de ZPE-golven, zijn elektrische en magnetische eigenschappen. Op elk moment zijn er ongeveer 1,3 x 1063 virtuele deeltjesparen in elke kubieke meter van het vacuüm.
Op dit punt worden de verschillende definities of begrippen van de zwaartekracht belangrijk. Einsteinse relativiteit beschouwt zwaartekrachtgolven als ‘verstoringen van de tijdruimte’. De SED natuurkunde ziet de actie van de ZPE en zijn daaruit volgende virtuele deeltjesparen als de oorzaak van de zwaartekracht. In de SED-benadering zijn zwaartekrachtgolven het resultaat van een verstoring van de virtuele deeltjesparen en/of de ZPE-golven die het vacuüm vullen.
Als we naar de gegevens kijken vanuit SED, zijn er twee massieve lichaam die om elkaar heendraaien. Maar hun afmetingen behoeven niet zo specifiek te zijn als in het model hierboven. Omdat de deeltjes die deze twee lichamen vormen geladen zijn, zijn zij effectief een grote collectie ladingen, die alle in beweging zijn. Ladingen in beweging stralen elektromagnetische golven uit, en deze golven zijn typisch van een lange golflengte, vergeleken met de rest van het elektromagnetisch spectrum.
Deze lange elektromagnetische golven zetten een overeenkomstige golfbeweging op gang in de geladen virtuele deeltjesparen, die de elektromagnetische structuur van het vacuüm uitmaken. Een gelijksoortig resultaat ontstaat wanneer golfpatronen, Chladni-figuren genoemd, worden gevormd in poeder op een metalen plaat die tot trilling wordt gebracht met geluidsgolven. In het geval van elektromagnetische golven is straling met korte golflengte te kort om de virtuele deeltjesparen golven te laten vormen. Op dezelfde manier zullen grote korrels op een Chladni-plaat geen patroon vormen met hoge geluidsfrequenties. Alleen de langere elektromagnetische golven laten de virtuele deeltjesparen overeenkomstig trillen. Als zo’n golftrein dan de aarde bereikt, brengt het een overeenkomstige laagfrequente trilling op gang in de LIGO-apparatuur.
Het zijn deze laagfrequente golven die door de LIGO-apparatuur werden gedetecteerd. Als de twee lichamen elkaar steeds dichter naderen in het om elkaar heen draaien, neemt de frequentie (energie) en amplitude (hoeveelheid) van de straling toe tot zij botsen, waarop het proces stopt. Maar de beweging van deze lichamen die op een ballistische manier door het medium van de virtuele deeltjesparen heen gaan, creëert een serie golven in de zee van virtuele deeltjesparen. Net zoals de boeggolf van een groot schip in de oceaan golven maakt die zich ver kunnen voortplanten, zo planten ook deze golven zich voort door de zee van virtuele deeltjesparen. Zo veroorzaken zij een golfvormige verstoring in het vacuüm tot op grote afstanden. Deze benadering is in overeenstemming met de LIGO-resultaten, maar verklaart ze op een andere manier.
Eén vraag blijft nog over: waren de botsende lichamen zwarte gaten? Die vooronderstelling komt direct uit computer-modellering en een benadering binnen de relativiteitstheorie. Dat model vereist heel wat ‘wiskunde over wiskunde’, en er zijn er die vermoeden dat niet alles pais en vree is met deze opvatting.
De zero point energie benadering gekoppeld aan plasma natuurkunde biedt een alternatieve oplossing. Alles wat nodig is in het ZPE-model zijn twee hemellichamen met extreem sterke elektrische en magnetische velden die om elkaar heen draaien die de virtuele deeltjesparen beïnvloeden die het vacuüm vullen. De plasma natuurkunde voorziet precies in zulke lichamen in de vorm van ‘plasmoids’, bestaande uit ionen en elektronen, waarin intense elektrische en magnetische velden zijn geconcentreerd. Ze zijn in het lab geproduceerd en ze bestaan in de ruimte. Deze intense velden zenden enorm sterke straling uit wanneer de lichamen om elkaar heen draaien. Er is hiervoor geen sterk zwaartekrachtsveld nodig. Het is ook mogelijk dat de twee lichamen een baan beschrijven rond elkaar door elektrische en/of magnetische aantrekking plus zwaartekracht; er zijn vergelijkingen die dit gecombineerd effect beschrijven. Op deze basis is het niet nodig om er zwarte gaten met enorme zwaartekracht erbij te halen, maar is er eerder te denken aan plasmoids met intense elektrische en magnetische velden, die een signaal kunnen opwekken met een profiel overeenkomstig dat ontvangen door het LIGO-systeem.
Er is ons gevraagd om een commentaar op deze zwaartekrachtgolven en de persberichten rond deze gebeurtenis. De gegevens staan niet ter discussie: die zijn reëel, het is belangrijk en het is uniek. Wat belangrijk is voor mensen om te begrijpen, is echter dat er niet noodzakelijkerwijs slechts één interpretatie van deze gegevens is. Vaak wordt er maar één interpretatie gepubliceerd, nl. die, die overeenkomt met de huidige standaardtheorie. Maar het is goede wetenschap om naar alle mogelijkheden te kijken, en de positieve en negatieve aspecten ervan te bespreken.
Nog meer informatie
Een artikel dat de LIGO-ontdekking ondersteunt is geschreven door de instanties van de Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) groep. Zij wezen erop dat een zwak maar belangrijk signaal dat één seconde duurde door hun instrumenten gemeten is 0,4 seconde na het moment waarop het LIGO-signaal arriveerde. De locatie aan de hemel was heel dicht bij die van het LIGO-signaal. Als die twee inderdaad de zelfde gebeurtenis betreffen, is het gebied aan de hemel waar het signaal vandaan kwam verkleind van 601 tot 199 vierkante graden (= een cirkel met een doorsnee van 16 graden!). Het signaal bestond uit harde röntgenstraling en was typisch voor een zwakke, korte ‘gamma-ray burst’. Maar zo’n signaal dat dan zou komen uit de fusie van twee zwarte gaten werd als ongebruikelijk beschouwd. De auteurs schrijven in hun Abstract:1 “. . . dit elektromagnetische signaal uit een fusie van zwarte gaten is nogal onverwacht.”
Het probleem is dat een fusie van zwarte gaten wordt verondersteld een veel sterker signaal af te geven, met een energieprofiel verschillend van dat wat de GBM heeft ontvangen. Als het GBM-signaal hetzelfde zou zijn als het LIGO-signaal, is de conclusie dat we waarschijnlijk niet met een fusie van twee zwarte gaten te maken hebben. Sterker, de afgegeven energie geeft aan, dat de betreffende massa’s kleiner moeten zijn dan die vereist voor zwarte gaten. Dus is het legitiem om diverse verschillende scenario’s te overwegen in geval van fusie van grote lichamen in een baan rond elkaar. Andere opties voor de oorzaak van het GBM-signaal zijn overwogen maar verworpen, dus bleef alleen deze over als de meest waarschijnlijke.
Maar er is nog een vraag over de afstand tot het betreffende object. De auteurs van het GBM-artikel geven een voorlopige afstand van 410 mega-parsecs of ongeveer 1.300 miljoen lichtjaren voor de gecombineerde LIGO-GBM-signalen. Zij stellen echter dat hun signaal ontstond dichtbij de kromming van de aarde, zoals die gezien werd uit de Fermi satelliet die de gegevens verzamelde. Daaruit volgt dat zij niet helemaal de mogelijkheid konden uitsluiten dat het signaal in de aardse atmosfeer of het aardse magneetveld kon zijn ontstaan, en dus niets te maken had met een verre gebeurtenis.
Voordat een aantal van deze zaken zijn opgelost, moet de precieze aard van de om elkaar heen draaiende lichamen, die gesuggereerd werd door LIGO-gegevens, voorlopig nog een vermoeden blijven. Als de GBM-gegevens worden geaccepteerd als komende van hetzelfde object als de LIGO-gegevens, dan moet de verklaring dat het veroorzaakt is door de fusie van twee zwarte gaten worden afgewezen ten gunste van een minder massief object.2
Nog enkele belangwekkende opmerkingen
Bij het doorzoeken van de signalen die LIGO had gedetecteerd, ontdekte het team een ander, veel zwakker signaal met dezelfde golfvorm op een ander tijdstip. Deze tweede gebeurtenis had een lagere waarschijnlijkheid om fusie van twee zwarte gaten te kunnen zijn dan de eerste, die de kopregels van de pers haalde. Deze waarschijnlijkheden worden geclassificeerd door een index, sigma genoemd. Het originele signaal, dat zoveel publiciteit veroorzaakte, was een sigma 5 gebeurtenis, en het tweede een sigma 2 gebeurtenis. Er is veel speculatie over deze twee signalen, te lezen in Physics World.3
Dat artikel heeft enkele belangwekkende punten.
Ten eerste werd opgemerkt dat de fusie van zwarte gaten, die werd genoemd als oorzaak van het LIGO-signaal, een verrassing was voor astronomen. Tot op dat moment “dacht men dat zulke tweevoudige stellaire massa’s (zwarte gaten) niet op die manier bestonden of, als zij al bestonden, dat ze te ver uit elkaar zouden liggen om binnen de leeftijd van het heelal te fuseren.” Dit type fusie werd gedacht onmogelijk te zijn, volgens de heersende astronomische theorie.
Ten tweede is de ‘spin’ informatie betreffende de gebeurtenis een bron van verwarring. De uitspraak was: “De ‘spin’-parameter van het resulterende zwarte gat bleek niet groter dan 0,67 te zijn, wat nogal laag is, omdat zwarte gaten met een grote massa verondersteld worden een ‘spin’ te hebben dichtbij de maximum waarde van 1.” Met andere woorden, de ‘spin’ parameter is ongeveer 2/3 van wat verwacht zou worden voor zo’n soort gebeurtenis. De reden voor deze inconsistentie wordt gezocht in de andere LIGO-gegevens.
Ten derde is er een bezwaar dat bleek uit het commentaar van James Hough van de universiteit van Glasgow in Schotland. Hij wees erop dat “de ontdekking van LIGO ook het enige directe bewijs is dat we hebben van het bestaan van zwarte gaten. Tot nu toe hebben astronomen alleen maar indirect bewijs gevonden in de vorm van röntgenstraling van materie die in een zwart gat zou vallen, én de afwijkingen in de omloopbanen van sterren in de centra van sterrenstelsels, die massieve zwarte gaten herbergen.” Uit dit citaat is op te maken dat er nergens een direct bewijs is voor zwarte gaten in het heelal. Daarom hangt er zoveel af van de eenvoudige golfvorm die LIGO oppikte; wellicht zelfs de geldigheid van het zwarte gat-concept zelf.
Als alle gegevens en theorie worden samengebracht lijkt het erop dat zowel de LIGO- als de GBM-monitors een zwaartekracht-fusie van twee grote objecten hebben vastgelegd. Maar deze objecten waren waarschijnlijk geen zwarte gaten. Eerder vinden ze een meer consistente verklaring in het ZPE-plasma model, zoals hierboven aangegeven.
