Hoe ontstaan zwaartekrachtgolven?

Antwoord

De intensiteit van zwaartekrachtgolven is rechtstreeks afhankelijk van de zwaartekracht die de betrokken lichamen uitoefenen.  De sterkte daarvan wordt bij goede benadering gegeven door de zwaartekrachtwet van Newton, die zegt dat de zwaartekrachtversnelling evenredig is met de totale massa en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de objecten die de kracht voelen.  Het aarde-zon-systeem is dus ook bron van zwaartekrachtgolven, maar met een intensiteit die veel kleiner is dan die van in elkaar versmeltende zwarte gaten; dat is voor een deel zo omdat de massa bij ons veel kleiner is, maar vooral omdat de afstand tussen beide objecten zoveel groter is.

Doordat aarde en zon minder gravitationele energie verliezen, komen ze veel trager bij elkaar, en is de tijdschaal waarop ze ooit zouden kunnen fuseren enorm veel groter dan de levensduur van beide objecten.  Maar ook voor fuserende zwarte gaten is de tijd vooraleer het tot fusie komt, erg lang, en moeten ze al vrij dicht bij elkaar 'geboren' zijn opdat het ooit kan lukken dat ze uiteindelijk fuseren.  Het signaal zien we uiteindelijk maar gedurende een korte periode vlak voor tot aan de fusie; voordien staan ze te ver uiteen om een meetbaar signaal te genereren.

Wanneer we dus vooral zwaartekrachtgolven kunnen zien bij zwarte gaten en neutronensterren, is dat niet vooral omdat daar meer massa in zit, maar wel omdat die massa in een veel kleiner volume besloten is, zodat de massa's veel dichter bij elkaar kunnen komen.  Indien de massa van de zon in een zwart gat was samengeperst, dan zou de 'straal' daarvan slechts 3 kilometer bedragen; vergelijk dat met de straal van 700 duizend kilometer die de zon als ster vandaag heeft.  Indien twee sterren zoals de zon zouden fuseren, dan zou dat op een afstand 700000/3 maal groter zijn dan indien twee zwarte gaten van een zonsmassa zouden fuseren.  Het signaal zou dus (700000/3)^2 of ongeveer 50 miljard maal kleiner zijn; eigenlijk nog meer, omdat in de uiteindelijke berekening ook de mate waarin de relatieve afstand verkleint een rol speelt.

Vermits zwaartekrachtgolven op zich weinig energetisch zijn, zijn ze voor alle bronnen moeilijk te detecteren, en is het logisch dat we deze met de grootste intensiteit het eerste waarnemen.  De fusie van twee zwarte gaten vlak bij ons zou ideaal zijn, maar een dergelijke fusie is heel zeldzaam.  Objecten verder van ons, nemen we minder intens waar, omdat hun uitgestraalde energie over een groter oppervlak is verspreid; fuserende zwarte gaten op grote afstand d zien we minder goed.  Maar anderzijds neemt het volume - en zo ook de kans dat we een object in het juiste evolutiestadium vinden - toe met d^3.  Het is zo begrijpelijk dat de eerste objecten bij wie detecteerbare zwaartekrachtsgolven zijn vastgesteld. fuserende zwarte gaten zijn ver van ons: het zijn de (voorlopige) kampioenen onder de bronnen, maar ze zijn zeldzaam.

Als ik 'voorlopig' schreef, dan is dat omdat we verwachten dat fuserende super-zwarte-gaten - van miljarden zonsmassa's eerder dan enkele tientallen - nog intenser (en tegelijk ook zeldzamer) moeten zijn.  Dat die zeldzamer zijn, hoeft niet direct het probleem te zijn, vermits we ze door de nog veel grotere energieën in een nog veel groter volume moeten zien.  Maar daar speelt een andere parameter een rol, namelijk de golflengte.  Om ze te kunnen meten, moet de golflengte kleiner zijn dan de afmetingen van het detectie-apparaat, anders zien we niets.  We moeten dus detectoren bouwen die veel groter zijn dan de aarde, en men werkt inderdaad aan de ontwikkeling van interferometers in de ruimte.