Op een conferentie in Japan een paar jaar geleden David Dunsky woonde een lezing bij over zwaartekrachtgolven, rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd die ontstaan ​​wanneer massieve objecten zoals sterren en zwarte gaten versnellen.

Dunsky was destijds een afgestudeerde student deeltjesfysica en zijn interesses lagen schijnbaar ergens anders. Deeltjesfysici zoeken naar de meer fundamentele waarheid die ten grondslag ligt aan de fysieke regels die we kennen. Ze maken al lang gebruik van hoogenergetische deeltjesversnellers om hun ideeën te testen. Door deeltjes tegen ondoorgrondelijke energieën tegen elkaar te slaan, kunnen deze wetenschappers de bouwstenen van de bouwstenen ontdekken: de hoogenergetische verschijnselen die zich op korte afstandsschalen voordoen. Deze verschijnselen vertellen ons ook over de vroegste momenten van het universum, toen het klein, compact en ongelooflijk heet was.

Maar Dunsky leerde tijdens de lezing dat toekomstige zwaartekrachtgolfobservatoria zoals de voorgestelde Laser Interferometer Space Antenna (LISA) zouden kunnen worden gebruikt om de hoge-energiefysica te onderzoeken. LISA zou in staat zijn hypothetische objecten te detecteren die kosmische snaren worden genoemd, enorme strengen geconcentreerde energie die mogelijk tijdens de geboorte van het universum zijn ontstaan. ‘Ik raakte verslaafd aan het proberen de zwaartekrachtsgolfsignalen uit het vroege heelal te begrijpen’, zegt Dunsky, die nu kosmoloog en deeltjesfysicus is aan de New York University, ‘en hoe ze ons konden vertellen over zeer, zeer hoge-energiefysica die potentieel ver zou kunnen gaan. verder dan wat we momenteel kunnen detecteren met een botsing.”

Zijn wending naar zwaartekrachtgolven als een weg vooruit voor de deeltjesfysica is een voorbeeld van een groeiende belangstelling voor het toekomstige LISA-experiment en misschien ook van een bredere verschuiving. Twaalf jaar zijn verstreken sinds de laatste grote ontdekking bij een deeltjesbotser. De ontdekking van het Higgsdeeltje bij de Large Hadron Collider (LHC) in 2012 voltooide het Standaardmodel van de deeltjesfysica, de heersende theorie van de bekende elementaire deeltjes en krachten. En hoewel theoretici sindsdien een hele reeks mogelijke theorieën hebben bedacht ter uitbreiding van het Standaardmodel, is het niet duidelijk of we colliders kunnen bouwen die deze ideeën kunnen testen.

“Mensen praten over het bouwen van botsers in de komende 50 jaar die tien keer krachtiger zijn dan de LHC in termen van energie,” zei Raman Zonnedrum, een theoretisch deeltjesfysicus aan de Universiteit van Maryland. Maar het testen van grootse, verenigde theorieën, die de drie krachten van het Standaardmodel herleiden tot één enkele onderliggende kracht die op kortere afstanden werkt, “lijkt een botsing te vereisen die 10 miljard keer de energie van de LHC heeft”, zei hij.

Wat we niet kunnen produceren in een botsing, kunnen we misschien wel in de natuur waarnemen. Concreet zouden de antwoorden kunnen liggen in de zwaartekrachtsecho's van processen die zich ontvouwden tijdens de eerste momenten van de schepping, toen het universum zo energiek was dat natuurkunde voorbij het Standaardmodel zou hebben geregeerd.

Dat is de hoop van deeltjesfysici als Dunsky en Sundrum, die nu naar LISA kijken om hun theorieën te testen. Het missieconcept werd voor het eerst ontwikkeld in het begin van de jaren tachtig en het daaropvolgende decennium formeel voorgesteld aan de European Space Agency (ESA). Het project werd een tijdlang in samenwerking met NASA uitgevoerd, maar de Amerikanen haakten in 1980 af vanwege begrotingsoverwegingen, waardoor Europa gedwongen werd het alleen te doen. In januari kreeg LISA echter eindelijk groen licht van ESA, dat nu industriële partners zoekt om met de bouw te beginnen. De aankondiging komt na het daverende succes in 2011 en 2015 van een pilotmissie, LISA Pathfinder, die de belangrijkste technologieën van het toekomstige observatorium testte.

De verwachting is dat LISA in de jaren 2030 zal vliegen. Vier jaar lang zal de reeks van drie satellieten door de ruimte tuimelen in een gelijkzijdige driehoek van zo'n miljoen kilometer breed, waarbij lasers worden weerkaatst op de gouden kubussen die in elk ruimtevaartuig in perfecte vrije val worden gehouden om rimpelingen in de ruimte-tijd te voelen.

“Voor het eerst kunnen we daadwerkelijk iets rechtstreeks uit dat zeer vroege tijdperk van het universum halen”, zei hij Isabel García Garcia, een deeltjesfysicus en kosmoloog aan de Universiteit van Washington. Als LISA echt oorspronkelijke zwaartekrachtgolven kan oppikken, voegde ze eraan toe, zal dit onze eerste glimp zijn van de eerste momenten van de kosmos. “Vanuit het oogpunt van de deeltjesfysica is dat natuurlijk ongelooflijk spannend.”

Gelukkig LISA

Als LISA er ergens in de komende tien jaar in slaagt om oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven te detecteren, zal dat te danken zijn aan een buitengewoon kosmisch geluk.

Geen enkele telescoop zal ooit de eerste momenten van de schepping onthullen. Telescopen kijken in het verleden van het universum door licht te detecteren dat van ver weg komt. Maar de eerste 380,000 jaar na de oerknal gaan schuil achter een soort kosmisch gordijn. Destijds was het universum gevuld met geïoniseerd plasma dat fotonen verspreidde, waardoor het ondoorzichtig werd voor licht.

In tegenstelling tot licht konden zwaartekrachtsgolven vrijelijk door het vroege heelal rimpelen. Bestaande observatoria op de grond, zoals LIGO en Virgo, zijn waarschijnlijk niet gevoelig voor deze oergolven. Maar LISA zou misschien kunnen horen wat er op het podium gebeurde voordat het kosmische gordijn opging.

"Het is alsof je iets in de mist hoort", zei Sundrum.

Net als zwaartekrachtsgolfobservatoria op de grond zal LISA rimpelingen in de ruimte-tijd detecteren door lasers te gebruiken om nauwkeurig de afstand langs zijn ‘armen’ te meten – in dit geval de lijnen in de lege ruimte tussen de drie ruimtevaartuigen in zijn driehoekige sterrenbeeld. Wanneer een zwaartekrachtgolf voorbijgaat, rekt deze uit en krimpt de ruimte-tijd in. Hierdoor ontstaat er een klein verschil in de armlengtes van LISA, wat het instrument kan detecteren door de verkeerde uitlijning van de pieken en dalen van de laserstralen te volgen. Verwijderd uit de lawaaierige omgeving van de aarde zal LISA veel gevoeliger zijn dan bestaande interferometers zoals LIGO, die zijn gebruikt om botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren te detecteren. Het zal ook veel groter zijn; elk van zijn armen zal bijna 400 keer langer zijn dan de straal van de aarde.

Toch zijn de veranderingen in de afstand die LISA zal voelen extreem klein: ongeveer 50 keer kleiner dan een atoom. "Het is een behoorlijk gek concept, als je erover nadenkt", zei hij Nora Lützgendorf, een astrofysicus bij ESA en een LISA-projectwetenschapper.

Dankzij de omvang en gevoeligheid van LISA kan het zwaartekrachtgolven waarnemen die veel langer zijn dan die waarneembaar zijn met interferometers op de grond. LIGO kan zwaartekrachtgolven waarnemen met golflengten tussen ongeveer 30 en 30,000 kilometer, maar LISA kan golven opvangen met een lengte van een paar honderdduizend kilometer tot een paar miljard. Hierdoor kan LISA meeluisteren naar astrofysische gebeurtenissen die observatoria op de grond niet kunnen 'horen', zoals het samensmelten van superzware zwarte gaten (in tegenstelling tot zwarte gaten ter grootte van een ster). En de golflengteband van LISA is precies zo groot als natuurkundigen verwachten van zwaartekrachtsgolven die ontstaan ​​in de eerste momenten na de oerknal.

De hoge-energiefysica in het vroege heelal veroorzaakte zwaartekrachtrimpelingen, en naarmate het heelal uitdijde en de ruimte zich uitbreidde, werden deze golven tot enorme afmetingen opgeblazen. LISA is toevallig perfect klaar om de golven op te vangen die in de eerste 10 zijn ontstaan^-17 naar 10^-10 seconden na de oerknal – praktisch aan het begin der tijden. Het korte uiteinde van dat bereik, 10^-17 seconden, is een periode die zo kort is dat hij ongeveer net zo vaak in een seconde past als seconden passen in de leeftijd van het universum.

‘Er is sprake van serendipiteit’, zei hij Chiara Caprini, een theoretisch kosmoloog aan de Universiteit van Genève en CERN. Er is een overeenkomst tussen “de frequentieband van detectie van LISA en dit specifieke tijdperk in de evolutie van het universum dat de grens markeert van onze kennis van de deeltjesfysica.”

Voorbij het standaardmodel

Tot die grens doet het Standaardmodel uitstekend werk door uit te leggen hoe zijn kudde van zeventien elementaire deeltjes interageert met drie krachten: de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Maar ondanks de enorme successen denkt niemand dat deze deeltjes en krachten het alles en het einde van het bestaan ​​zijn.

De theorie heeft zijn gebreken. Bijvoorbeeld de massa van het Higgsdeeltje – het onderdeel van het Standaardmodel dat de massa van andere deeltjes bepaalt – is frustrerend “onnatuurlijk.” Het lijkt willekeurig en raadselachtig klein vergeleken met de veel grotere energieschalen van het universum. Bovendien biedt het Standaardmodel geen verklaring voor donkere materie, noch voor de mysterieuze donkere energie die de versnelde uitdijing van de ruimte aandrijft. Een ander probleem is dat antimaterie en materie zich precies hetzelfde gedragen onder de drie krachten van het Standaardmodel – wat uiteraard niet het hele verhaal is, aangezien materie het universum domineert. En dan is er de zwaartekracht. Het Standaardmodel negeert volledig de vierde fundamentele kracht, die moet worden beschreven met behulp van zijn eigen op maat gemaakte theorie, de algemene relativiteitstheorie.

“Dus veel theoretici zoals ik hebben geprobeerd het Standaardmodel een beetje onder druk te zetten en er uitbreidingen van te maken”, zegt Pierre Auclair, een theoretisch kosmoloog aan de Katholieke Universiteit van Leuven in België. Maar zonder experimenteel bewijs waarmee ze kunnen worden getest, blijven deze uitgebreide theorieën, nou ja, theoretisch.

Auclair is een theoreticus. “Maar toch probeer ik zoveel mogelijk betrokken te zijn bij experimenten”, zei hij. Dat is een van de redenen waarom hij zich tot LISA aangetrokken voelde. “Deze uitbreidingen leiden doorgaans tot verschillende extreme gebeurtenissen in het vroege heelal,” zei hij.

Garcia Garcia zei eveneens dat LISA's belofte van observationeel bewijs voor de hoge-energiefysica haar ertoe bracht haar carrière te heroverwegen: zwaartekrachtsgolven zouden 'het vroege heelal kunnen onderzoeken op een manier die geen enkel ander experiment kan doen', zei ze. Een paar jaar geleden begon ze zwaartekrachtgolven te bestuderen en hoe de natuurkunde buiten het standaardmodel vingerafdrukken achterlaat die door LISA kunnen worden gedetecteerd.

Vorig jaar Garcia Garcia en haar collega's gepubliceerd werk op de zwaartekrachtsgolfsignatuur van bellenwanden – energetische barrières tussen delen van de ruimte die in verschillende toestanden vast kwamen te zitten toen het universum afkoelde. Deze afkoeling vond plaats toen het heelal uitdijde. Net zoals water kookt en in stoom verandert, onderging het universum faseovergangen. In het standaardmodel verliep de faseovergang waarin een enkele, ‘elektrozwakke’ kracht zich opsplitste in afzonderlijke elektromagnetische en zwakke krachten relatief soepel. Maar veel uitbreidingen van de theorie voorspellen gewelddadige gebeurtenissen die de kosmische soep schuimig en verstoord achterlieten, zei Dunsky, die ook topologische defecten zoals bellenwanden bestudeert.

Kwantumvelden die ons universum doordringen, hebben een minimum-energietoestand of grondtoestand. En toen het heelal afkoelde, ontwikkelden zich nieuwe grondtoestanden met een lagere energie, maar een bepaald veld belandde niet altijd onmiddellijk in zijn nieuwe grondtoestand. Sommigen raakten verstrikt in lokale energieminima – valse grondtoestanden die alleen maar stabiel lijken. Maar soms zou een klein stukje van het universum kwantumtunnelen naar de ware toestand, waardoor een snel uitdijende bel van echt vacuüm ontstond met een lagere energie dan het universum daarbuiten.

“Deze bubbels zijn erg energiek; ze bewegen zich heel dicht bij de snelheid van het licht vanwege het drukverschil tussen hun binnen- en buitenkant,” zei Dunsky. “Dus wanneer ze botsen, krijg je een gewelddadige botsing tussen deze twee zeer relativistische objecten, enigszins vergelijkbaar met hoe zwarte gaten sterke zwaartekrachtgolven uitzenden vlak voordat ze botsen.”

Snaren en muren

Meer speculatief zouden faseovergangen in het vroege heelal ook structuren kunnen hebben gecreëerd die kosmische snaren en domeinmuren worden genoemd – respectievelijk enorme strengen en lagen van dichte energie.

Deze structuren ontstaan ​​wanneer de grondtoestand van een kwantumveld zodanig verandert dat er meer dan één nieuwe grondtoestand ontstaat, die allemaal even geldig zijn. Dit kan resulteren in hoogenergetische defecten langs de grenzen tussen delen van het universum die toevallig in verschillende, maar even gunstige grondtoestanden terechtkwamen.

Het proces lijkt een beetje op de manier waarop bepaalde gesteenten natuurlijk magnetisme ontwikkelen terwijl ze afkoelen, zei Dunsky, die dat ook heeft gedaan bestudeerde de waarneembare vingerafdrukken van het proces. Bij hoge temperaturen zijn atomen willekeurig georiënteerd. Maar bij lage temperaturen wordt het energetisch gunstig voor hen om zich magnetisch uit te lijnen: de grondtoestand verandert. Zonder een extern magnetisch veld om de atomen te oriënteren, zijn ze vrij om zichzelf in welke richting dan ook op te stellen. Alle ‘keuzes’ zijn even geldig, en verschillende domeinen van het mineraal zullen bij toeval verschillende keuzes maken. Het magnetische veld dat door alle atomen wordt gegenereerd, buigt dramatisch af aan de grenzen tussen domeinen.

Op dezelfde manier moeten de kwantumvelden in verschillende delen van het universum “snel veranderen aan de grens” van deze domeinen, zei hij, resulterend in grote energiedichtheden aan deze grenzen die “de aanwezigheid van een domeinmuur of een kosmische draad aangeven.”

Deze kosmische snaren en domeinmuren, als ze bestonden, zouden zich hebben uitgestrekt over vrijwel het hele universum naarmate de ruimte zich uitbreidde. Deze objecten produceren zwaartekrachtgolven terwijl knikken zich erlangs voortplanten en terwijl lussen oscilleren en knobbels vormen. Maar de energieschalen van deze golven waren grotendeels hetzelfde als de objecten die tijdens de eerste momenten van het universum werden gevormd. En LISA zou ze kunnen detecteren, als ze bestaan.

Echo's van de schepping

De zwaartekrachtsgolven die ons vanuit het zeer vroege heelal bereiken, zullen niet in netjes verpakte pieptonen arriveren, zoals de signalen van botsingen tussen zwarte gaten. Omdat ze zo vroeg in de tijd plaatsvonden, zijn dergelijke signalen sindsdien over de hele ruimte verspreid. Ze echoën vanuit elke richting, vanuit elk punt in de ruimte, allemaal tegelijk – een zwaartekrachtgezoem op de achtergrond.

"Je zet je detector aan en hij is er altijd", zei Garcia Garcia.

Patronen op deze achtergrond zouden voor de gemiddelde persoon waarschijnlijk “gewoon op ruis lijken”, zei Sundrum. “Maar stiekem is er een verborgen code.”

Een belangrijke aanwijzing is het spectrum van het achtergrondsignaal: de sterkte ervan op verschillende frequenties. Als we een zwaartekrachtgolfsignaal als geluid beschouwen, zou het spectrum een ​​grafiek zijn van toonhoogte versus volume. Echt willekeurige witte ruis zou een vlak spectrum hebben, zei Auclair. Maar zwaartekrachtgolven die vrijkomen tijdens faseovergangen of afkomstig zijn van kosmische snaren of domeinmuren zouden het luidst zijn bij specifieke frequenties. Auclair heeft gewerkt aan het berekenen van de spectrale kenmerken van kosmische snaren, die zwaartekrachtsgolven op karakteristieke golflengten uitstoten wanneer hun knikken en lussen zich ontwikkelen. En Caprini studies hoe gewelddadige faseovergangen hun eigen stempel zouden drukken op de zwaartekrachtgolfachtergrond.

Een andere aanpak, die Sundrum en zijn collega's hanteren 2018 geschetst en onlangs uitgewerkt, zou zijn om te proberen de algehele intensiteit van de achtergrond aan de hemel in kaart te brengen. Dit zou het mogelijk maken om te zoeken naar anisotropieën, of plekken die net een klein beetje luider of stiller zijn dan gemiddeld.

“Het probleem,” zei Caprini, “is dat dit soort signaal vrijwel dezelfde kenmerken heeft als instrumentruis. De hele vraag is dus hoe we het kunnen onderscheiden als we iets detecteren.”

LISA lijkt meer op een microfoon dan op een telescoop. In plaats van in een bepaalde richting te turen, luistert hij in één keer naar de hele lucht. Het zal oorspronkelijke zwaartekrachtgolven horen als deze aanwezig zijn. Maar hij zal ook het getjilp en gehuil horen van samensmeltende zwarte gaten, neutronensterren en de vele paren witte dwergsterren in onze Melkweg. Om ervoor te zorgen dat LISA een achtergrond van oorspronkelijke zwaartekrachtgolven kan detecteren, moeten alle andere signalen zorgvuldig worden geïdentificeerd en verwijderd. Het eruit filteren van het ware signaal uit het vroege heelal zal hetzelfde zijn als het oppikken van het geluid van een lentebries op een bouwplaats.

Maar Sundrum kiest ervoor om hoopvol te zijn. "We zijn niet gek om dit onderzoek te doen," zei hij. “Het zal moeilijk zijn voor experimentatoren. Het zal moeilijk zijn voor het publiek om te betalen voor de verschillende dingen die gedaan moeten worden. En het zal moeilijk zijn voor theoretici om zich een weg te banen langs alle onzekerheden, fouten, achtergronden enzovoort.”

Maar toch, voegde Sundrum eraan toe, ‘lijkt het mogelijk te zijn. Met een beetje geluk.”