Zwaartekrachtgolven in een jong universum

De ontdekking van gravitatiegolven

Op 14 september 2015, om 9:50:45 UTC (gecoördineerde wereldtijd) registreerden de twee detectoren van het LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), waarvan een in Hanford, Washington, staat en de ander in Livingston, Louisiana, een passerende gravitatiegolf. Het signaal vertoonde de klassieke golfvorm die al voorspeld is door Einstein’s algemene relativiteitstheorie, voor twee zwarte gaten die naar elkaar toe bewegen. De frequentie loopt op van 35 naar 250 Hz en vertoont een piekverschuiving van 1,0 × 10−21 [1,0 x 10-21] op de detectoren.

Beide detectoren registreerden hetzelfde signaal, dat overeenkwam met de voorspelde vorm voor het spiraalsgewijs naar elkaar toe bewegen en uiteindelijk samensmelten van een dubbelsysteem van zwarte gaten tot één zwart gat. Het signaal had een signaal/ruis verhouding van 24, wat een kans op een vals-signaal heeft van eens in de 203.000 jaar. Dit komt overeen met een statistische significantie van meer dan 5.1σ, waarbij 1σ de standaarddeviatie is. Met andere woorden: het betreft hier zeer waarschijnlijk een reële waarneming.

De bron ligt op een afstand van ca. 1,3 miljard lichtjaar, wat overeenkomt met een roodverschuiving van z ≈ 0.09. De beginmassa’s van de zwarte gaten waren 36 M⊙* en 29 M⊙, terwijl de eindmassa van het uiteindelijke zwarte gat 62 M⊙ is. Een equivalent van 3 M⊙ is dus uitgestraald als gravitatiegolven. De waarnemingen bevestigen voor het eerst dat er binaire zwarte-gat-systemen met stellaire massa bestaan, en, nog belangrijker, het is de eerste keer dat gravitatiegolven, en ook de eerste keer dat de instorting van een dergelijk systeem waargenomen wordt.

De bevindingen zijn met veel media aandacht gepubliceerd in Physical Review Letters (PRL) op 11 februari 2016. Sommige collega’s op de universiteit waar ik werk vroegen zich af waarom de onderzoekers niet hebben gekozen voor een meer toonaangevend tijdschrift, zoals Science of Nature. Misschien was dat omdat PRL snel tot publicatie kon overgaan, ermee rekening houdend dat, voorafgaande aan de publicatie, meer dan duizend mensen hun mond dicht moesten houden. Voor Science of Nature zou het publicatieproces aanzienlijk langer hebben geduurd.
Het werkte niet helemaal. Lawrence Krauss twitterde meer dan een maand eerder al dat er een detectie had plaatsgevonden en vanaf die tijd namen de geruchten toe.
De observaties staan weergegeven in fig. 1. Hierin zijn de golfsignalen te zien die zijn waargenomen door de LIGO detectoren, gestationeerd aan beide kanten van de VS, en voor het licht ca. 10 ms van elkaar verwijderd. De gravitatiegolf, die GW150914,8 genoemd wordt, werd eerst in de Livinston opstelling (L1), en zo’n 7 ms later op de Hanford locatie (H1) gedetecteerd. Wanneer relativistische effecten weggefilterd worden blijft er een identiek signaal over met een zeer hoge signaal/ruis verhouding.

In tegenstelling tot het BICEP2 fiasco in 2014, waarin een waarneming geclaimd werd van gravitatiegolven uit de vroege inflatieperiode van de kosmos, en die werd ingetrokken in 2015, lijkt de huidige waarneming zeer robuust. En hoewel er een zeer geringe kans is dat het signaal veroorzaakt is door toevallige ruis, is het zeer onwaarschijnlijk dat dit op twee plaatsen tegelijk gebeurt, precies de reistijd van het licht op elkaar volgend.

Figuur 2 toont het scenario van twee zwart gaten die spiraalsgewijs op elkaar botsen. Het ongefilterde golfpatroon staat onder de afbeeldingen. Dit golfpatroon toont de verwachte verstoring van ruimtetijd als een functie van de tijd, naarmate de zwarte gaten elkaar dichter naderen. Het onderste vak laat de afstand tussen de zwarte gaten zien als functie van de tijd en van hun relatieve snelheid ten opzichte van de lichtsnelheid.

Een belangrijk punt in het spiraalpatroon is de uiteindelijke ringfase tijdens de ringdown. Dit geeft een klassieke dissipatie weer van energie, die ook vanuit het laboratorium goed verklaard kan worden. Dit verschijnsel is 20 jaar geleden voorspeld, en het klopt precies. Toen ik het zag, met zo’n hoge s/n waarde, was ik er onmiddellijk van overtuigd dat de waarneming correct is.

Om nog even persoonlijk te blijven, het feit dat zwaartekrachtsgolven nu waargenomen zijn, betekent dat ik er in 2006 naast zat met mijn voorspelling. In 1993 kregen Hulse en Taylor de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun ontdekking in 1974 dat het binaire neutronenstersysteem PSR B1913+16 (waarvan een van beide ook een radiopulsar is), energie zou verliezen ten gevolge van gravitatiestraling. De twee sterren daarvan bewegen in een spiraal steeds dichter naar elkaar toe. Al verscheidene decennia werd dit waargenomen, en het strookt perfect met wat Einstein al voorspelde.
Maar omdat er geen zwaartekrachtsgolven gemeten werden, kwam ik met mijn voorspelling, gebaseerd op Carmeli’s kosmologie, waarin ik redeneerde dat gravitatiegolven niet als golven door de ruimte reisden, maar dat PSR B1913+16 zijn gravitatieenergie verloor als warmte. Maar, helaas, ik zat ernaast.

Operationele wetenschap

De ontdekking strookt met Einsteins idee dat ruimtetijd als een medium voorgesteld wordt dat kan golven. Een metrische vervorming van ruimtetijd plant zich voort met de snelheid van het licht. Dit geeft verdere ondersteuning aan Einsteins algemene relativiteitstheorie, die al verschillende succesvolle tests heeft doorstaan. De tijdcorrectie in GPS klokken is een belangrijk voorbeeld. De atoomklokken in GPS satellieten op een hoogte van zo’n 20.200 km moeten voor zowel de speciale als de algemene relativiteitstheorie gecorrigeerd worden. Het gaan om ca. 38 miljoenste van een seconde per dag. Niet veel, maar het is een meetbaar effect dat voor aanzienlijke afwijkingen kan zorgen in de GPS resultaten, als er niet voor wordt gecorrigeerd. Dit noemen we nu operationele wetenschap. Dit geldt ook voor de detectie van gravitatiegolven, afkomstig van de botsing van twee zwarte gaten, of andere zware objecten.

Hoewel dit geen metingen zijn die we rechtstreeks kunnen observeren – ze vinden plaats ver buiten ons zonnestelsel – zijn de resultaten in principe reproduceerbaar. Natuurlijk niet van dit specifieke dubbelsysteem, maar wel van gelijksoortige. Reproduceerbaarheid is een aspect van wat we operationele wetenschap noemen, hoewel we de betrokken zwarte gaten niet rechtstreeks kunnen waarnemen. Dit is vergelijkbaar met het energieverlies van het neutronenster-dubbelsysteem waarvoor Hulse en Taylor hun Nobelprijs hebben ontvangen. Het is reproduceerbaar en consistent met robuuste fysische regels, die ook op aarde gelden, al is het in andere werkgebieden.

Schepping of big bang: wetenschap?

Big bang kosmologie is geen operationele wetenschap. De veronderstelde expansie van het universum uit een singulariteit (geen zwart gat), wat eigenlijk een deftig woord is voor “niets”, is niet reproduceerbaar. En ook kunnen we niet in andere universa kijken hoe een dergelijk proces in zijn werk gaat.

Het BICEP2 debacle waarin zeer oude gravitatiegolven gedetecteerd zouden zijn, laat het probleem zien. Stellig was men er toen van overtuigd dat men de oerknal “op zijn staart” had getrapt. In het Engels heet het “smoking gun evidence”, een aanduiding dat niet de gebeurtenis zelf, maar wel de directe gevolgen waargenomen zijn.

Ook is er het probleem van degeneratie. In de astrofysica en kosmologie betekent dit dat er een scala van mogelijke theorieën is voor dezelfde observaties. De ontdekking van de kosmische microgolf achtergrondstraling (CMB), een big bang voorspelling door George Gamow in 1948, is onvoldoende bewijs om te concluderen dat ergens in het onwaarneembare verleden, de big bang daadwerkelijk heeft plaatsvonden. Je moet dan eerst ook aantonen dat alle andere mogelijke verklaringen onjuist zijn. Er is in deze situatie ook aanwijzing dat CMB niet strikt achtergrond is, en dus ook geen restant kan zijn van de vermeende oerknal.

Als er evenzo tegenbewijs gevonden wordt dat de ontdekking van gravitatiegolven tegenspreekt, dan moet dat serieus genomen worden. Maar dat acht ik niet waarschijnlijk. Als we de gedachte van een massale fraude even passeren, met zoveel betrokken wetenschappers, kunnen we weinig anders dan erkennen dat het een reële detectie is geweest, gebaseerd op de wetten van de fysica zoals we die kennen. Er waren geen onbekende variabelen nodig om de theorie kloppend te krijgen. En ook de algemene relativiteitstheorie werd niet geschonden.

De natuurkundige wetten zijn volmaakt afkomstig van de hand van de Schepper van het universum. Het feit dat de gebeurtenis zo ver weg plaatsvindt (toegegeven, er zitten enkele aannames in de berekening), maar dat daarbij dezelfde wetten van kracht zijn, zegt iets over de consistentie van deze wetten. Ze zijn een product van intelligentie, een Schepper, en we zijn alleen maar aan het ontdekken hoe wonderlijk Hij het universum gemaakt heeft.

Ik verwacht dat er hordes claims op internet en in andere media zullen verschijnen, waarin de ontdekking op een of andere manier aangewend wordt tot ondersteuning van de oerknalhypothese. Maar daarvoor is geen sprake!

De standaard big bang kosmologie is gebaseerd op de oplossing van Einsteins veldvergelijkingen door Friedmann en Lemaître, in de jaren 1920. Vanuit de linearisatie van deze veldvergelijkingen (de zogeheten post-Newtoniaanse benadering) ontwikkelde Einstein de theorie voor zwaartekrachtsgolven die zich verplaatsen door de ruimtetijd. Maar er zijn nog tal van andere wiskundige oplossingen mogelijk voor Einsteins veldvergelijkingen voor het universum. Daarvan zijn er al veel verworpen, omdat ze niet voldoen aan onze waarnemingen. Een oplossing is nog niet hetzelfde als een fysische realiteit. Einstein ontwikkelde de oplossing van een statisch universum, dat hij naderhand weer verwierp. Hij had hiervoor een kosmologische constante (Λ) nodig, om het universum statisch te houden. Toen hij hoorde van Hubble’s ontdekking in 1929 van een uitdijend heelal, classificeerde hij zijn eerdere idee als de grootste blunder van zijn carrière.

Iedere oplossing vereist een aantal randvoorwaarden. Deze aannames leggen de begintoestand vast en kunnen bepaalde dingen vereisen, bijvoorbeeld dat het universum isotroop en homogeen is (het kosmologisch principe). Dat houdt in dat de materieverdeling overal in het universum gelijk is (op grotere schaal gezien), en dat er geen centrum en geen grens of rand zit aan het heelal. Ook stelt het dat de fysicawetten overal en altijd gelijk zijn.

Bijbelse creationisten erkennen dat de natuurkundige wetten geldig zijn op iedere plaats in het universum. Maar niet noodzakelijkerwijs tijdens iedere periode. De scheppingsweek bijvoorbeeld, was een zeer bijzondere episode.
Overigens heeft ook de oerknalkosmologie zo’n afwijkende episode, namelijk het moment van de oerknal zelf. Dit is feitelijk een wonder zonder afdoende oorzaak (of verklaring).

Daarnaast heeft het kosmologisch principe nog een aantal grote problemen. Eén daarvan is de ‘As van het kwaad’. Dit slaat op een merkwaardige ordening in de temperatuurfluctuaties in de CMB straling, zoals die door de WMAP als de Planck satellieten gemeten is. Van beide instrumenten tonen de gegevens onafhankelijk van elkaar dezelfde afwijkende as in het universum, die in het vlak van ons zonnestelsel ligt, precies door de twee punten waar de zon de evenaar kruist. Zo’n typisch patroon mag niet bestaan. De fysica van ons zonnestelsel en die van de big bang staan immers niet met elkaar in verbinding? Het ondermijnt de vereiste van homogeniteit en isotropie binnen het kosmologisch principe. En door deze schadelijke aantasting van de theorie, wordt het ‘Axis of Evil’ genoemd.

Nog een ander probleem dat zich voordoet bij het omarmen van het big bang model te omarmen, is het geloof in donkere energie en donkere materie. Deze grootheden zijn ingevoerd om de bestaande waarnemingen in overeenstemming te brengen met het Friedmann-Lemaître model. Donkere energie, een soort anti-zwaartekracht, is ingebed in de kosmologische constante, maar donkere materie was nodig omdat de totale waargenomen hoeveelheid materie te klein was om de theorie met de waarneming te laten kloppen. Donkere energie en donkere materie zijn onbekenden in de wetenschap, en ik noem ze gewoon flutfactoren, verborgen onbekenden, of ‘god van de gaten’ van de moderne kosmologie.

Interessant genoeg is in de berekeningen die gebruikt werd om de massa’s te achterhalen van de op elkaar gebotste zwarte gaten, de klassieke waarde van de lichtsnelheid, c, gebruikt. Dezelfde constante waarde, die we ook vandaag nog meten. Is dat toeval? Ik denk het niet.

Sommige creationisten hanteren het concept van een veel hogere lichtsnelheid in het verleden. Kort na de schepping zou deze snelheid af zijn gaan nemen, tot aan vandaag de huidige waarde. Dit concept staat bekend als c-verval (cdk). Met dit gegeven van een veel hogere c kan het lichtreisprobleem worden opgelost. Maar de nieuwe ontdekking laat zien dat op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar, met een corresponderend moment in het verleden, de lichtsnelheid net zo hoog was als vandaag. Wat voor type creationist je ook bent, de gravitatiegolven zullen toch gestart moeten zijn na de scheppingsweek. Het cdk idee is daarmee dan ook afgedaan.

Conclusie

We concluderen dus dat de positie van Einsteins algemene relativiteit steviger is komen te staan als operationele wetenschap, zonder uit nood toegevoegde factoren. Variaties in de lichtsnelheid zijn niet aan de orde. Niettemin bestaan er talloze andere plausibele verklaringen voor Bijbels-creationisten voor het verre-sterrenprobleem. Door de constante lichtsnelheid geeft de relativiteitstheorie ons het benodigde inzicht dat tijd niet absoluut is in het universum, waardoor licht mogelijk veel meer tijd heeft gehad om vanaf verre bronnen naar de aarde te reizen, zelfs binnen een tijdspanne van 6000 jaar na de schepping. Er zijn geen andere factoren van invloed op een Bijbelse uitleg van het ontstaan van het universum.

Dit artikel is met toestemming overgenomen en vertaald van Creation Ministries International. De volledige bronvermelding luidt: Hartnett, J.G., 2016, What impact does the detection of gravitational waves have on biblical creation? Het Engelstalige artikel is hier op Creation.com te vinden.

1. 1 M⊙ komt overeen met de massa van onze zon (⊙ = symbool voor de zon)