Hoofdstuk 7: Experimentele Tests van de Algemene Relativiteitstheorie

In de vorige hoofdstukken hebben we gezien hoe Einstein's algemene relativiteitstheorie radicaal ons begrip van zwaartekracht, ruimte en tijd heeft veranderd. De theorie doet een aantal opmerkelijke voorspellingen die afwijken van de newtoniaanse zwaartekracht, zoals de buiging van sterlicht door de Zon, de precessie van de baan van Mercurius en de gravitationele roodverschuiving van licht. In dit hoofdstuk zullen we deze voorspellingen in detail onderzoeken en het waarnemend bewijsmateriaal bespreken dat zich in de afgelopen eeuw heeft opgestapeld om de algemene relativiteitstheorie te testen. We beginnen met de drie "klassieke tests" die door Einstein zelf zijn voorgesteld, en gaan dan verder met meer moderne tests die verschijnselen als gravitatielenzen, zwaartekrachtsgolven en zwarte gaten betrekken. Zoals we zullen zien, heeft de algemene relativiteitstheorie elke test met glans doorstaan en daarmee haar positie als de beste zwaartekrachtstheorie tot op heden versterkt.

De Drie Klassieke Tests

Kort nadat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie in 1915 had gepubliceerd, stelde hij drie waarnemingstests voor die de theorie zouden kunnen bevestigen of weerleggen. Deze tests, die bekend werden als de "klassieke tests" van de algemene relativiteitstheorie, waren:

1. De precessie van het perihelium van Mercurius
2. De afbuiging van sterlicht door de Zon
3. De gravitationele roodverschuiving van licht

Laten we deze tests één voor één bekijken.

De Precessie van het Perihelium van Mercurius

De planeet Mercurius heeft een sterk elliptische baan rond de Zon, waarbij de dichtste benadering (perihelium) elke omloop een kleine hoeveelheid precessie ondergaat. Volgens de newtoniaanse zwaartekracht zou deze precessie volledig moeten worden verklaard door de zwaartekrachtwerking van de andere planeten. Echter, nauwkeurige waarnemingen in de late 19e eeuw onthulden een klein verschil: het perihelium van Mercurius bewoog met ongeveer 43 boogseconden per eeuw meer dan wat de theorie van Newton voorspelde.

Deze anomalie had astronomen decennialang verbaasd en sommigen hadden zelfs gesuggereerd dat er een onzichtbare planeet ("Vulcan") in de buurt van de Zon zou zijn om het te verklaren. Maar in 1915 toonde Einstein aan dat zijn algemene relativiteitstheorie van nature rekenschap gaf van de overtollige precessie van Mercurius. Volgens de algemene relativiteit buigt de kromming van de ruimtetijd rond de Zon de baan van Mercurius met nog eens 43 boogseconden per eeuw, in perfecte overeenstemming met de waarnemingen.

Dit was een grote triomf voor Einstein's theorie. Het verklaarde een langdurig raadsel en leverde overtuigend bewijs voor het bestaan van gekromde ruimtetijd. Tegenwoordig wordt de precessie van het perihelium van Mercurius beschouwd als een van de belangrijkste waarnemende pijlers van de algemene relativiteitstheorie.

De Afbuiging van Sterlicht door de Zon

Een andere voorspelling van de algemene relativiteitstheorie is dat licht wordt afgebogen door zwaartekrachtsvelden. Volgens de theorie zou een straalsterlicht die dichtbij de Zon passeert, worden afgebogen onder een kleine hoek, met een afbuiging die tweemaal zo groot is als wat de newtoniaanse zwaartekracht zou voorspellen.

Einstein realiseerde zich dat dit effect kon worden getest tijdens een totale zonsverduistering, wanneer sterren in de buurt van de Zon zichtbaar worden in de verduisterde daghemel. Door de schijnbare posities van sterren tijdens de verduistering te vergelijken met hun normale posities 's nachts, konden astronomen de afbuiging meten en zien of dit overeenkwam met de voorspelling van de algemene relativiteit.

De eerste poging om dit effect te meten werd gedaan tijdens de totale zonsverduistering van 1919, door twee expedities onder leiding van de Britse astronoom Arthur Eddington. Het ene team reisde naar het eiland Príncipe voor de kust van Afrika, terwijl het andere team naar Sobral, Brazilië ging. Ondanks uitdagingen door het weer en de apparatuur, slaagden beide teams erin de verduistering te fotograferen en de posities van sterren te meten.

Toen de resultaten werden geanalyseerd, bleek dat sterlicht inderdaad was afgebogen door de Zon, met een grootteorde die nauw aansloot bij de voorspelling van Einstein. Het nieuws haalde wereldwijd de krantenkoppen en catapulteerde Einstein naar internationale faam. De afbuiging van sterlicht door de Zon werd gezien als een dramatische bevestiging van de algemene relativiteit en het bestaan van gekromde ruimtetijd.

Sinds 1919 is de test van lichtafbuiging vele malen herhaald met toenemende precisie, zowel met radiotelescopen als met optische apparatuur. De meest nauwkeurige metingen tot nu toe, gedaan met very-long-baseline interferometry (VLBI), hebben de algemene relativiteit bevestigd tot binnen 0,02%.

De Gravitationele Roodverschuiving van Licht

De derde klassieke test van de algemene relativiteit betreft de gravitationele roodverschuiving van licht. Volgens de algemene relativiteit zou licht dat wordt uitgezonden in een zwaartekrachtsveld roodverschoven moeten worden (dat wil zeggen, de golflengte ervan zou moeten toenemen) naarmate het uit de potentiaalput klimt. Hoe sterker het zwaartekrachtsveld, hoe groter de roodverschuiving.

Einstein stelde voor dat dit effect gemeten kon worden met behulp van spectrale lijnen van de Zon. Het licht uitgezonden door atomen in de atmosfeer van de Zon zou lichtjes roodverschoven moeten zijn in vergelijking met dezelfde lijnen die in een laboratorium op Aarde worden geproduceerd, als gevolg van het sterke zwaartekrachtsveld van de Zon.

Het meten van deze gravitationele roodverschuiving bleek behoorlijk uitdagend te zijn, vanwege de noodzaak van uiterst precieze spectroscopie en de aanwezigheid van andere effecten die spectrale lijnen kunnen verschuiven (zoals de Dopplerverschuiving door de rotatie van de Zon). De eerste succesvolle meting werd in 1925 gedaan door Walter Adams, met behulp van een spectrograaf op de telescoop van 100 inch bij Mount Wilson Observatory. Adams vond een gravitationele roodverschuiving die consistent was met de voorspelling van Einstein, zij het met een vrij grote onzekerheid.

Sindsdien zijn er nauwkeurigere tests van de gravitationele roodverschuiving uitgevoerd, met behulp van het Mössbauer-effect en atoomklokken. In de jaren '60 maten Robert Pound en Glen Rebka de roodverschuiving van gammastralen die op en neer reisden langs een 22 meter hoge toren aan de Harvard-universiteit, ter bevestiging van de algemene relativiteit tot binnen 1%. Latere experimenten met raketgedragen waterstof mazers hebben de roodverschuiving bevestigd tot binnen enkele delen op 10^5. De gravitationele roodverschuiving is niet alleen een belangrijke test voor de algemene relativiteitstheorie, maar ook een praktische zorg voor GPS-satellieten, die een aanzienlijke roodverschuiving ervaren door de zwaartekracht van de aarde. Zonder correctie voor dit effect zou GPS-navigatie enkele kilometers per dag onnauwkeurig zijn.

Moderne Tests van de Algemene Relativiteitstheorie

Terwijl de drie klassieke tests het eerste sterke bewijs leverden voor de algemene relativiteitstheorie, zijn er sindsdien nog veel meer tests bedacht en uitgevoerd in de eeuw sinds de theorie van Einstein werd gepubliceerd. Deze moderne tests onderzoeken de algemene relativiteitstheorie in nieuwe en extreme omstandigheden en maken gebruik van geavanceerde technologieën die in de tijd van Einstein ondenkbaar waren.

Gravitatielensvorming

Een van de meest opvallende voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie is het fenomeen van gravitationele lensvorming. Net zoals een glazen lens lichtstralen buigt die erdoorheen gaan, kan een massief object (zoals een sterrenstelsel of sterrencluster) het pad van licht van een achtergrondbron buigen en dienen als een "gravitationele lens".

Er zijn drie belangrijke regimes van gravitationele lensvorming:

1. Sterke lensvorming: Dit gebeurt wanneer de lens voldoende massief en goed uitgelijnd is om meerdere beelden, bogen of ringen van de achtergrondbron te produceren. De eerste sterke lensvorming werd in 1979 ontdekt, in de vorm van twee quasars die eigenlijk twee beelden van dezelfde quasar waren, gelensd door een voorgrondsterrenstelsel. Honderden sterke lenzen zijn nu bekend en ze geven ons de mogelijkheid om de verdeling van donkere materie in kaart te brengen en de algemene relativiteitstheorie op kiloparsec-schaal te testen.

2. Zwakke lensvorming: Dit is een subtieler effect dat optreedt wanneer de lensmassa niet sterk genoeg is om meerdere beelden te produceren, maar nog steeds de vormen van achtergrondsterrenstelsels vervormt. Door deze vervormingen statistisch te analyseren over grote delen van de hemel, kunnen astronomen de grootschalige structuur van het universum in kaart brengen en de algemene relativiteitstheorie op kosmische schaal testen. Zwakke lensvorming is de afgelopen jaren een belangrijk onderzoeksonderwerp geworden in de kosmologie, met grote onderzoeken zoals de Dark Energy Survey en de Kilo-Degree Survey die steeds nauwkeurigere metingen leveren.

3. Microlensvorming: Dit gebeurt wanneer een compact object (zoals een ster of planeet) voor een achtergrondster passeert en een tijdelijke verheldering van de laatste veroorzaakt door lensvorming. Microlensvorming is gebruikt om exoplaneten te ontdekken en de populatie van zwarte gaten en andere donkere objecten in ons sterrenstelsel te onderzoeken. Het biedt ook een test voor de algemene relativiteitstheorie op stellaire schaal.

Gravitatielensvorming heeft tot nu toe enkele van de meest spectaculaire bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie gegeven. Het waargenomen aantal, de verspreiding en de eigenschappen van gelensde systemen komen uitstekend overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie en hebben strenge beperkingen opgelegd aan alternatieve zwaartekrachtstheorieën.

Gravitatiegolven

Misschien wel de meest opwindende ontwikkeling in het testen van de algemene relativiteitstheorie in de afgelopen jaren is de rechtstreekse detectie van gravitatiegolven. Dit zijn rimpelingen in de structuur van de ruimtetijd zelf, geproduceerd door versnellende massa's en zich voortplantend met de snelheid van het licht. Einstein voorspelde in 1916 het bestaan van gravitatiegolven, maar twijfelde dat ze ooit zouden worden gedetecteerd vanwege hun extreem kleine amplitude.

Een eeuw later slaagde het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) erin de minieme ruimtetijdvervormingen te meten die worden veroorzaakt door passerende gravitatiegolven. De eerste detectie, gedaan in september 2015, kwam van de samensmelting van twee zwarte gaten op ongeveer 1,3 miljard lichtjaar afstand. De waargenomen golfvorm kwam overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie binnen enkele procenten, wat een verbluffende bevestiging van de theorie opleverde in het sterke-veld, hoge-snelheids regime.

Sindsdien zijn nog tientallen zwaartekrachtgolfgebeurtenissen gedetecteerd door LIGO en zijn Europese tegenhanger, Virgo. Deze omvatten samensmeltingen van binaire zwarte gaten, binaire neutronensterren en zelfs mogelijk een samensmelting van een neutronenster en een zwart gat. Elke gebeurtenis biedt een nieuwe test voor de algemene relativiteitstheorie onder extreme omstandigheden, en tot nu toe heeft de theorie deze tests met vlag en wimpel doorstaan.

Gravitatiegolfastronomie heeft een geheel nieuw venster op het universum geopend, waardoor we regio's en gebeurtenissen kunnen onderzoeken die onzichtbaar zijn voor elektromagnetische straling. Het heeft ook enkele van de strengste tests van de algemene relativiteitstheorie tot nu toe geleverd, waarbij belangrijke voorspellingen zoals het bestaan van zwarte gaten, de voortplanting van gravitatiegolven met de snelheid van het licht en de "no-hair" stelling (die stelt dat zwarte gaten volledig worden gekarakteriseerd door hun massa, lading en draaiing) bevestigd zijn.

Waarnemend Bewijs voor Zwarte Gaten

Zwarte gaten zijn misschien wel de meest extreme en raadselachtige voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. Dit zijn gebieden in de ruimtetijd waar de kromming zo sterk wordt dat niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen van binnen de gebeurtenishorizon. Zwarte gaten zijn een direct gevolg van Einsteins vergelijkingen, maar werden lange tijd beschouwd als een wiskundige curiositeit in plaats van een fysieke realiteit.

Vandaag de dag is er echter overweldigend waarnemend bewijs voor het bestaan van zwarte gaten. Dit bewijs komt uit verschillende onderzoeksvelden:

1. Röntgenbinaries: Dit zijn systemen waarin een zwart gat of neutronenster materie van een begeleidende ster aantrekt. Naarmate de materie in een spiraalbeweging beweegt en opwarmt, zendt het röntgenstraling uit die kan worden gedetecteerd door telescopen. De eigenschappen van deze röntgenemissies, met name de snelle variabiliteit en hoge energieën die erbij betrokken zijn, leveren sterk bewijs voor de aanwezigheid van een compact object zoals een zwart gat.

2. Supermassieve zwarte gaten: In het centrum van de meeste sterrenstelsels, inclusief onze eigen Melkweg, bevinden zich compacte objecten met massa's die variëren van miljoenen tot miljarden keren die van de zon. Deze objecten zijn te massief en compact om te worden verklaard door sterrenclusters of andere bekende objecten, en hun eigenschappen komen overeen met die van supermassieve zwarte gaten. Het beste bewijs komt uit waarnemingen van sterren die in een baan rond het galactisch centrum draaien, waardoor astronomen de massa en grootte van het centrale object met grote precisie kunnen meten.

3. Zwaartekrachtsgolven: Zoals hierboven vermeld, komen de zwaartekrachtgolfsignalen die zijn gedetecteerd door LIGO en Virgo overeen met de voorspellingen voor samensmeltende zwarte gaten. De massa's, spins en andere eigenschappen die zijn afgeleid uit deze signalen zijn consistent met zwarte gaten en inconsistent met andere compacte objecten zoals neutronensterren.

4. Event Horizon Telescope: In 2019 publiceerde de samenwerking van de Event Horizon Telescope de eerste directe afbeelding van een zwart gat. Door radiotelescopen over de hele wereld met elkaar te verbinden om een virtuele telescoop ter grootte van de aarde te vormen, waren ze in staat de waarnemingshorizon van het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87 op te lossen. De waargenomen grootte en vorm van de schaduw van het zwarte gat kwamen overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie, wat een verbluffende visuele bevestiging van de theorie opleverde.

Het waarnemingsbewijs voor zwarte gaten is nu zo sterk dat het bestaan ervan wordt beschouwd als vrijwel zeker. Ze bieden enkele van de meest extreme tests van de algemene relativiteitstheorie, waarbij de theorie wordt onderzocht in gebieden van sterke kromming en hoge snelheden. Tot nu toe heeft de GR al deze tests doorstaan, waardoor zijn status als onze beste zwaartekrachtstheorie verder wordt versterkt.

Conclusie

Een eeuw na zijn ontstaan blijft de algemene relativiteitstheorie onze meest nauwkeurige en goed geteste zwaartekrachtstheorie. Van de klassieke tests voorgesteld door Einstein tot de baanbrekende waarnemingen van zwaartekrachtsgolven en zwarte gaten, is de theorie onderworpen aan steeds nauwkeurigere en rigoureuzere tests, en is elke keer zegevierend uit de bus gekomen.

De bevestiging van de algemene relativiteitstheorie is niet alleen een triomf voor de theorie zelf, maar ook voor de wetenschappelijke methode als geheel. GR deed een aantal gedurfde, tegenintuïtieve voorspellingen die sterk verschilden van Newtoniaanse zwaartekracht en gezond verstand. Maar toen deze voorspellingen werden getest door zorgvuldig ontworpen experimenten en waarnemingen, bleken ze correct te zijn. Dit is de essentie van de wetenschap: testbare voorspellingen doen en de natuur de uiteindelijke arbiter van de waarheid laten zijn.

Natuurlijk is geen enkele wetenschappelijke theorie ooit compleet of definitief. Er zijn nog steeds veel open vragen en onbeantwoorde problemen.