Wetenschap

LISA wordt gevoelig voor zwaartekrachtsgolven met een frequentie van 0,1 tot 100 milliHertz. Dit is onontgonnen gebied omdat de huidige detectoren op Aarde — o.a. LIGO en Virgo — alleen frequenties tussen tien en tienduizend Hertz kunnen meten. Het stelt LISA is staat om als eerste botsingen te horen van superzware zwarte gaten, met elkaar en met sterren.

Zwaartekrachtsgolven uit het verre heelal hebben ook lage frequenties, omdat hun golflengte tijdens hun reis uitrekt dankzij de kosmische uitdijing van het heelal. Zo zal LISA als eerste metingen doen aan de periode vlak na de oerknal, toen het heelal waarschijnlijk met ongekende snelheid uitdijde. Astronomen hopen bovendien met LISA de eerste zaadjes van superzware zwarte gaten te zien tijdens de dark ages in de eerste honderden miljoenen jaren van het heelal. Ook de (aanlopen naar) botsingen van compacte dubbelsystemen in onze Melkweg vallen binnen LISA’s bereik, zowel van dubbele zwarte gaten als van andere soorten compacte dubbelsystemen.


Credit: NASA Goddard Space Flight Center

Astrofysica

Credit: Event Horizon Telescope Collaboration

Zwarte gaten

In de jacht op zwarte gaten stuiten conventionele telescopen op twee hindernissen. Alleen als zwarte gaten materiaal van een begeleide ster afsnoepen, en daarbij (röntgen)straling uitzenden, kunnen we ze ontdekken. En dan mogen ze zich ook nog eens niet verschuilen achter de stofwolken in de Melkwegschijf. Dit leidt ertoe dat we met conventionele telescopen alleen relatief lichte zwarte gaten hebben waargenomen van minder dan twintig zonsmassa’s. Zwaardere zwarte gaten zijn immers niet weg te krijgen uit de Melkwegschijf, en ontstaan uit zo’n grote ster dat hun begeleidende ster vaak te ver weg staat om er iets vanaf te snoepen.

Astronomen zijn lange tijd misleid door deze biased census. Toen in 2015 LIGO voor het eerst een zwaartekrachtsgolf detecteerde, bleek direct dat we een verkeerde voorstelling hadden van de zwarte gatenpopulatie. LIGO hoorde twee zwarte gaten op elkaar botsen met respectievelijk 36 en 29 zonsmassa’s. Het toont aan dat zwaartekrachtsgolfdetectoren zich niets aantrekken van inactiviteit of stofwolken. Met haar frequentiebereik kan LISA alle (aanlopen naar) botsingen tussen zwarte gaten detecteren, om zo een betrouwbare volkstelling te verrichten van zwarte gaten in de Melkweg, zowel qua gewicht als qua rotatiesnelheid. Daarmee kunnen astronomen de evolutie van zwarte gaten in beeld brengen; hoe snel ze groeien en hoe ze zich voeden.

De meeste zwarte gaten zijn ontstaan uit stervende sterren en wegen vaak niet meer dan tientallen zonsmassa’s. Die noemen we ‘stellaire zwarte gaten’. Maar sommige zwarte gaten wegen een stuk meer, tot wel miljarden zonsmassa’s. Bekende voorbeelden van zulke ‘superzware zwarte gaten’ zijn die in het centrum van onze Melkweg en die in sterrenstelsel M87, wiens schaduw in 2019 voor het eerst werd gefotografeerd, zie figuur hiernaast. Astronomen verwachten de zaadjes van superzware zwarte gaten te gaan vinden in de eerste honderden miljoenen jaren na de oerknal. Tijdens deze dark ages waren er nog nauwelijks sterren om de wereld te verlichten, maar waarschijnlijk loerden er wel al baby-zwarte gaatjes in de duisternis. Dat zouden gewoon stellaire zwarte gaten kunnen zijn, maar volgens onze theoretische modellen kunnen die in het tijdbestek van toen tot nu niet zijn uitgegroeid tot de monsters die we nu zien. Daarom kunnen we evengoed iets totaal nieuws ontdekken. LISA luistert naar de massa en rotatiesnelheid van de zaadjes en naar de golflengte van hun zwaartekrachtsgolven. Door dit ook te doen voor de meer ontwikkelde exemplaren in latere stadia van het heelal geeft ze ons een compleet plaatje van de evolutie van superzware zwarte gaten.

Dubbelsystemen

Naast paren van zwarte gaten bestaan er nog andere dubbelsystemen die detecteerbare zwaartekrachtsgolven uitzenden, zoals alle combinaties tussen zogenaamde compacte objecten: neutronensterren, witte dwergen en stellaire zwarte gaten. LISA zal de verdeling van deze soorten binnen onze Melkweg in kaart brengen; binnen zijn dunne schijf, dikke schijf, halo en bolvormige sterhopen. Dat geeft ook informatie over de vorming en evolutie van dubbelsystemen.

Interessant aan dubbelsystemen met tenminste één normale ster is dat er onderlinge materieoverdracht plaatsvindt voorafgaand aan een botsing. LISA gaat luisteren naar dit proces, waar tot nu nog weinig over bekend is. In het bijzonder zal LISA gaan letten op dubbelsystemen met een compact object en een superzwaar zwart gat. Omdat superzware zwarte gaten in het centrum van een sterrenstelsel zitten, kunnen we zo de hoeveelheid afschatten van elk soort compact object op zo’n plek.

Kosmologie

Credit: ESA; Planck Collaboration

Kosmische achtergrondstraling

Tijdens de eerste periode na de oerknal was het onmogelijk voor fotonen om ongestoord door het heelal te reizen. Elektronen zaten nog niet gebonden aan atoomkernen, waardoor ze vrij rondvlogen en zo een dichte mist vormden. Tot het heelal na 380 duizend jaar voldoende was afgekoeld om de aantrekkingskracht tussen elektronen en atoomkernen geen tegenwicht meer te bieden. De mist klaarde op en fotonen konden in een rechte lijn vooruit vliegen. De meeste fotonen van toen zijn tot op de dag van vandaag niets tegengekomen dat hun weg belemmert en vliegen nog steeds rechtdoor. Deze zogenoemde kosmische achtergrondstraling komt vanuit alle kanten op ons af. En waar we onze telescopen ook op richten op zoek naar de oerknal, deze microgolfstraling is het verste wat we kunnen zien. Daarachter stuiten we steevast op een dichte elektronenmist.


Oer-zwaartekrachtsgolven

Gelukkig kun je in een mistbank prima horen. En dat is precies wat LISA gaat doen. De oerknal omvat de massa van het complete heelal, dus logischerwijs gaat dat gepaard met sterke zwaartekrachtsgolven. En die vliegen fluitend vanaf de oerknal dwars door de elektronenmist naar het heden. In 2014 dachten astronomen er zelfs al zonder zwaartekrachtsgolfdetectoren een hint van te zien. Met een conventionele telescoop zagen ze effecten van oer-zwaartekrachtsgolven in de kosmische achtergrondstraling, maar al snel bleek dat er een spreekwoordelijk stofje op de lens had gezeten: het stof in de Melkweg veroorzaakte de effecten. In 2015 hoorde de gronddetector LIGO als eerste een echte zwaartekrachtsgolf. Maar gronddetectoren zijn niet in staat om de grote golflengtes van oer-zwaartekrachtsgolven te horen. LISA zit hiervoor met haar lange meetarmen wel in het juiste bereik.

Inflatie

Via oer-zwaartekrachtsgolven hopen astronomen met LISA het bewijs te vinden voor een extreme expansie van het heelal vlak na de oerknal: binnen 10-32 seconden werd het universum 1026 maal groter. Twee van de grootste mysteries in de sterrenkunde zijn op te lossen met deze inflatie-hypothese. Waarom lijken sterrenstelsels zo op elkaar, terwijl ze zo ver uit elkaar staan dat ze niet met elkaar in aanraking kunnen zijn geweest? En is het niet heel toevallig dat het heelal precies de vlakke geometrie heeft waarin sterren en planeten kunnen vormen? Een razendsnelle expansie in het begin betekent dat daarvóór alle zaadjes van sterrenstelsels dicht op elkaar gepakt zaten, dicht genoeg om elkaar te beïnvloeden. Bovendien leidt het ertoe dat de dichtheid van alle materie en energie in het waarneembare heelal per definitie erg lijkt op de ‘kritieke dichtheid’—de dichtheid waarbij het heelal vlak is.

Fundamentele natuurkunde

Donkere energie en donkere materie

Sinds 1998 weten we dat het heelal versneld uitdijt. Maar in de twee decennia sindsdien zijn we er niet achter gekomen wat deze versnelling, tegen alle wetten van de zwaartekracht in, veroorzaakt. Astronomen gebruiken daarom de mysterieuze term ‘donkere energie’. Het omgekeerde zien we op kleinere schaal gebeuren. Sterrenstelsels gedragen zich alsof ze met meer zwaartekracht hun buitenste schil aantrekken dan we op basis van hun stermassa verwachten. De buitenste sterren draaien namelijk zo snel rondjes om het centrum van hun sterrenstelsel dat ze eigenlijk uit de bocht zouden moeten vliegen. De mysterieuze massa die ergens verborgen moet zitten noemen astronomen ‘donkere materie’.

Donkere energie en donkere materie geven samen met de ‘gewone’ materie vorm aan het heelal. Ze bepalen of de geometrie van de ruimte vlak, gesloten of open is. En ze bepalen het lot dat ons te wachten staat: zal de uitdijing altijd blijven versnellen, zal het heelal uiteindelijk inkrimpen of is er een tussenvorm waarin alles blijft uitdijen, maar wel steeds langzamer? Uit de kosmische achtergrondstraling en snelheden van sterrenstelsels kunnen we al een goed model creëren van de hoeveelheid donkere energie, donkere materie en gewone materie op verschillende tijdstippen. Die berekening geeft aan dat er van alle drie bij elkaar opgeteld exact genoeg is voor een vlak heelal. Dan zou je misschien verwachten dat de tussenvorm geldt, met een steeds langzamere uitdijing, maar omdat donkere energie een afstotende werking heeft versnelt de uitdijing.

De zwarte gaten die LISA gaat meten geven ons extra meetpunten voor ons model van de evolutie van het heelal. Dat zal het huidige model bekrachtigen of misschien wel bijstellen. LISA gaat botsingen tussen verre zwarte gaten gebruiken om de uitdijing vast te stellen op die punten in de kosmische tijd. Botsende zwarte gaten produceren een standaard zwaartekrachtsgolfsignaal, dus we kunnen hun afstand afleiden uit hoe verzwakt dat signaal uiteindelijk ons zonnestelsel bereikt. Door vervolgens te meten hoe sterk de golflengte is uitgerekt vanwege het Dopplereffect, weten we wat de uitdijing van het heelal is op dat punt in de ruimte en tijd.

Algemene relativiteitstheorie

De algemene relativiteitstheorie doet een aantal voorspellingen over het effect dat zware objecten hebben op de kromming van de ruimtetijd. Een aantal daarvan zijn inmiddels al ruimschoots getoetst met observaties. Bijvoorbeeld tijdens een totale zonsverduistering, wanneer je de sterrenhemel overdag kunt zien in aanwezigheid van de Zon. Sterren die vlak naast de Zon aan de hemel staan, blijken dan een iets andere positie te hebben dan de coördinaten die we ze ’s nachts toebedelen. De massa van de Zon buigt als het ware de ruimte, en dus het pad van het sterlicht, zodat dat vanaf een andere plek lijkt te komen. Een ander voorbeeld is het verschijnsel zwaartekrachtslenzen. Verre sterrenstelsels zijn soms zichtbaar als ringen, doordat hun licht niet zomaar links langs een tussenliggende massa scheert, maar door de gekromde ruimte er ook rechts, boven en onder langs wordt gestuurd.

Met LISA verkennen we een nieuw regime in de wereld van ruimtekromming. Tot nu toe zagen we alleen de statische kromming van relatief langzaam bewegende objecten. Maar zwaartekrachtsgolven bieden een blik op objecten die in razende vaart om elkaar heen draaien. LISA kan de zwaartekrachtsgolven zien van hemellichamen die de limieten van de algemene relativiteitstheorie opzoeken: superzware zwarte gaten. Gronddetectoren LIGO en Virgo kunnen dat ook al enigszins met stellaire zwarte gaten, maar die zenden veel zwakkere golven uit. Heeft Einstein ruim een eeuw geleden zelfs deze extreme situatie goed voorspeld? Het gaat daarbij bijvoorbeeld over de structuur van de ruimte vlak naast zware zwarte gaten. Die kunnen we met LISA bestuderen door te luisteren naar twee samensmeltende superzware zwarte gaten, of naar het chaotische pad dat een ster of stellair zwart gat bewandelt als hij in een dodelijke spiraal gevangen zit richting een superzwaar zwart gat.