Eventkaarten
Wat hoor je als het heelal botst? Deze kaarten tonen de events die je in Einsteins echo probeert te vangen.
Zwaartekrachtgolven
Met de Einsteintelescoop zullen we zwaartekrachtgolven meten die ontstaan bij verschillende kosmische gebeurtenissen, zoals die op de eventkaarten van het kaartspel Einsteins Echo. Veel van deze events zijn donker: ze sturen geen straling uit die we kunnen meten met lichttelescopen. Zulke fenomenen kunnen we misschien niet zien, maar we kunnen ze wel horen met zwaartekrachtgolven. Verschillende gebeurtenissen zullen andere zwaartekrachtgolfsignalen uitzenden, waardoor ze anders klinken. Door zorgvuldig te luisteren, kunnen we dus bepalen welke gebeurtenis ver weg heeft plaatsgevonden.
De eventkaarten
Al deze signalen reizen continu naar ons toe van verschillende events in het heelal. Met de Einsteintelescoop zullen we een symfonie van deze zwaartekrachtgolven kunnen beluisteren, bestuderen en doorgronden. Sommige signalen zijn wel zwakker en daarom moeilijker te meten dan andere. Daarom is het belangrijk dat we de Einsteintelescoop zo gevoelig mogelijk maken. De events in het kaartspel Einsteins Echo hebben daarom elk een niveau, dat aangeeft hoe lastig het is deze gebeurtenis te detecteren.
Astronomische afstanden en massa's
Alle ruisbronnen (trillingen, thermische ruis, kwantumeffecten in de laser) dragen bij tot de ruissterkte. Elke upgrade die je maakt in het spel (met componentkaarten) komt overeen met een stillere detector. Daardoor neemt de signaal-tot-ruis-verhouding van een event toe, wat het mogelijk maakt om signalen te detecteren die op steeds grotere afstand ontstaan. Deze afstand wordt uitgedrukt in parsecs (pc), een astronomische eenheid die overeenkomt met ongeveer drie lichtjaren, ofwel 30 triljoen kilometer (dat is een 3 met 13 nullen achter!). Voor de meeste signalen die we meten met de Einsteintelescoop is het makkelijker om de afstand uit te drukken in kilo (duizend), Mega (miljoen) of zelfs Giga (miljard) parsec - dat wordt dan weergegeven als kpc, Mpc, of Gpc.
De objecten die samensmelten en leiden tot een zwaartekrachtgolf hebben een massa die we uitdrukken in een aantal zonsmassa's, waarbij we het teken "M☉" gebruiken voor de massa van de zon - de zon heeft dus exact de massa 1 M☉.
Events van hoge en lage frequenties
De ruissterkte bij een bepaalde frequentie is uiteraard anders voor de hoog- en laagfrequente detector. Dit zorgt ervoor dat we een heleboel verschillende signalen kunnen detecteren. Zo zullen de samensmeltingen van heel zware systemen eerder gedetecteerd worden met de laagfrequente detector (blauwe kaarten), terwijl het ringdownsignaal enkel meetbaar is met de hoge-frequentie detector (rode kaarten). Het is dus cruciaal om beide detectoren operationeel te hebben! Merk op dat bestaande detectoren momenteel enkel hoge-frequentie events kunnen detecteren.
Samensmelting
De enige signalen die we nu al met zwaartekrachtgolven kunnen beluisteren zijn samensmeltingen van compacte objecten: zwarte gaten of neutronensterren. Neutronensterren ontstaan wanneer sterren zoals de zon aan het einde van hun leven al hun brandstof opbranden en imploderen. Neutronensterren zijn enorm klein vergeleken met hoe zwaar ze zijn: ongeveer één zonsmassa zit er samengepakt in een bol met een straal van enkele kilometers! Zwarte gaten zijn nog compacter: zij hebben hun volledige massa samengeperst in een punt. De zwaartekracht rond een zwart gat is zo krachtig, dat niets eruit kan ontsnappen, zelfs licht niet! Neutronensterren en zwarte gaten krommen de ruimte-tijd rond zich zeer sterk met hun zwaartekracht. Wanneer twee zulke objecten elkaar ontmoeten en samensmelten, ontstaan er grote rimpelingen in de ruimte-tijd: zwaartekrachtgolven.
Het signaal van een samensmelting van twee compacte objecten heeft een zeer herkenbare vorm: een lange, laagfrequente aanloop die eindigt in een plotse chirp. Dit weerspiegelt de drie fasen van de samensmelting: eerst bewegen de objecten dichter en dichter naar elkaar toe in een spiraalvormige baan. Daarna smelten ze samen in een chaotische botsing tot een groter zwart gat, dat zijn laatste energie verliest door nog wat na te trillen. De precieze vorm van het signaal leert ons wat de eigenschappen zijn van de twee compacte objecten.
Supernova
Wanneer een ster aan het eind van zijn leven implodeert, leidt dit tot een gigantische ontploffing, een supernova. Deze krachtige explosies sturen veel elektromagnetische straling uit, die we met lichttelescopen kunnen waarnemen als ze zich relatief dicht bij ons afspelen. Toch kunnen we er nog veel meer over leren als we er ook naar kunnen luisteren met zwaartekrachtgolven. Er is namelijk nog heel wat onzekerheid over het explosiemechanisme. Zo kunnen sterren die snel roteren een deel van hun rotationele energie gebruiken om de explosie aan te drijven. Dit zou zorgen voor een heel luide zwaartekrachtgolf, maar we kennen maar weinig sterren die snel roteren. Andere sterren moeten hun explosie aandrijven door nucleaire reacties van neutrino's, wat maar een zwak zwaartekrachtgolfsignaal voortbrengt.
In beide gevallen verschilt het signaal van een supernova sterk van dat van een samensmelting. Eerst toont het signaal een korte blip wanneer de kern van de ster in enkele duizendsten van een seconde in elkaar stort. Daarna is er een korte periode waarin de schokgolf botst tegen de middelste lagen van de ster. Geleidelijk aan begint de neutronenster die net gevormd is te trillen zoals een bel. Naarmate de explosie vordert, krimpt de neutronenster, waardoor de frequentie toeneemt. Dit hele proces duurt slechts enkele seconden, maar daarna moet de schokgolf zich nog een weg banen door de buitenste lagen van de ster. Daarom zullen we de elektromagnetische straling (licht) van een supernova pas enkele uren of dagen na het zwaartekrachtgolfsignaal kunnen zien.
Continue golven
Elk compact object dat niet perfect rond is en rond zijn eigen as draait, zendt zwaartekrachtgolven uit. Helaas zijn de meeste objecten in ons universum bijna perfect rond, draaien ze te langzaam, of zijn ze niet compact genoeg om waarneembare zwaartekrachtgolven uit te zenden. Een neutronenster kan daarentegen heel snel roteren als hij ontstaat uit een roterende ster. Bovendien is de materie in een neutronenster zo dicht opeengepakt dat een zandkorrel even zwaar zou zijn als de grote piramide van Gizeh. Dit maakt het mogelijk om minieme oneffenheden, zoals bergen met een hoogte van slechts 1 cm, te detecteren met de Einsteintelescoop. Op aarde horen we dit type zwaartekrachtgolf als een continu signaal, zoals de sirene van een ambulance.
Ringdown
Net nadat twee zwarte gaten zijn samengevloeid, is het nieuwe zwarte gat nog niet in evenwicht. Daardoor heeft het een overschot aan energie dat het uitzendt als zwaartekrachtgolven door te trillen op specifieke frequenties. Naarmate het zwart gat energie verliest, neemt ook de sterkte van de zwaartekrachtgolven af. Daardoor horen we een uitstervend monotoon signaal, zoals een glas waar je een keer tegen tikt. Theoretische fysici zijn erg geïnteresseerd in het ringdown signaal, omdat dit een krachtige test is voor Einsteins relativiteitstheorie. Als we het ringdownsignaal zeer precies kunnen meten, kunnen we nagaan of Einsteins theorie zwarte gaten volledig correct beschrijft.
Stochastische achtergrond
Krachtige kosmische gebeurtenissen zoals samensmeltingen van zwarte gaten en supernova's sturen een duidelijk en luid signaal uit. Maar in het heelal zijn er ook minder krachtige systemen die stillere zwaartekrachtgolven uitzenden. Deze signalen vallen minder op, maar ze zijn met zó velen dat ze samen een constante achtergrondruis vormen in de oren van de Einsteintelescoop. Het opmeten van deze achtergrond kan ons iets leren over de allereerste sterren uit het vroege universum, vlak na de oerknal.