De wetenschapsbijlage van NRC weekend van 13 februari 2016 opent met: "De wereld veerde even op". Verderop in dezelfde krant staat een groot artikel van Bruno van Wayenburg (zie ook de site van het NRC, met uitlegfilmpje) met als titel "De ruimte rimpelt" en, aansluitend: "Natuurkunde Einstein heeft definitief gelijk gekregen."
De actualiteit van de bekendmaking van 11 februari is al aan het tanen, maar wat blijft is het enthousiasme van de wetenschappelijke onderzoekers en de Nederlandse inbreng in het LIGO- en Virgo-project. Volgens Van Wayenburg sluit de bekendmaking een periode af van vijftig jaar zoeken en breekt nu het tijdperk van de zwaartekrachtgolvenastronomie aan. Zoals je in het uitlegfilmpje van Van Wayenburg kunt zien, maken deze projecten gebruik van interferometers met kilometers-lange armen. Michelson ging in zijn interferometer van 1881 uit van twee tijdens het experiment gelijkblijvende armen, later toonde hij samen met Morley aan dat er geen ether is. De interferometriemethode kent sindsdien vele toepassingen om zeer kleine effecten te meten. Bij die toepassingen gaat het niet meer om de ether.
Vragen
a) Waardoor veerde de wereld even op? Noem ook een letterlijke reden.
b) Gebruik de bovenstaande url of zoek op internet een filmpje, dat de gebruikte interferometer uitlegt.
c) Leg uit dat de armen in de huidige LIGO- en VIRGO-zwaartekrachtgolfdetectie in tegenstelling tot het toenmalige experiment van Michelson en Morley niet onveranderlijk blijven.
In feite werd de ruimtetijd vervormd door het plotselinge verdwijnen van veel massa. Dit ging gepaard met enorm veel energie en veroorzaakte de opwekking van zwaartekrachtgolven, die 1,5 miljard jaar reisden voordat zij op aarde gedetecteerd werden met een amplitude van nog slechts 10-20 m. De energie wordt bij deze samensmelting van twee zwarte gaten uit de omzetting van drie zonmassa's verkregen. De zon zou meer dan 400 miljard jaar nodig hebben om deze energiehoeveelheid uit te zenden!
d) Reken het laatste na en beschrijf waardoor dit onmogelijk is.
e) Beredeneer dat de zon een geheel andere energiesoort uitzendt dan bij deze samensmelting van zwarte gaten wordt uitgezonden.
f) Vanwaar nu al die opwinding?
De zwaartekrachtgolven waren in 1916 door Einstein voorspeld, wetenschappelijke onderzoekers (grote Nederlandse inbreng!) houden zich er reeds vijftig jaar mee bezig; zwaartekrachtgolven geven ongekende mogelijkheden in nieuw onderzoek. Natuurlijk ook omdat de wereld letterlijk even opveerde bij de passage van de zwaartekrachtgolf.
Uitwerking vraag (b)
-
Uitwerking vraag (c)
De detectie van zwaartekrachtgolven is juist gebaseerd op de verandering van de armlengte door het passeren van de golf.
Uitwerking vraag (d)
3 zonmassa’s is de vrijgekomen energie, dat is met E=mc2:
$E=mc^2=3\cdot 1,989\cdot 10^{30}\cdot (2,99792458\cdot 10^8)^2=5,4\cdot 10^{47}~\mathrm{J}$
Het vermogen van de zon staat in de Binas, en daaruit volgt:
$t=\frac{E}{P}=\frac{5,4\cdot 10^{47}}{3,85\cdot 10^{26}}=1,4\cdot 10^{21}~\mathrm{s}$
Dit komt overeen met ongeveer 45 duizend miljard jaar. De zon bestaat nog maar 5 miljard jaar en heeft nog een even lange tijd te gaan, in die tijd kan de zon nooit zo veel energie uitzenden als bij deze samensmelting van twee enorme zwarte gaten vrijkwam.
Uitwerking vraag (e)
De zon zendt elektromagnetische golven uit, de zwarte gaten zenden zwaartekrachtgolven uit. Je kunt dit ook koppelen aan je antwoord op vraag c.
Uitwerking vraag (f)
Ten eerste omdat de wetenschappelijke wereld al lang wacht op dit, door Einstein voorspelde, resultaat.
Ten tweede omdat het een enorme experimentele prestatie is, om een zo klein effect te meten.
Ten derde omdat er nu weer wetenschappelijk terrein braak ligt voor nieuwe onderzoekingen.
