Gravitatiegolven in de kosmische microgolf-achtergrond

Reacties van Nikhef-wetenschappers
"Het is een geweldige prestatie om de vingerafdruk van gravitatiegolven afkomstig van kosmologische verstoringen direct na de oerknal te detecteren in de kosmische microgolf-achtergrondstraling", zegt prof.dr.ing. Jo van den Brand, leider van het FOM-programma 'Gravitational physics' en als hoogleraar verbonden aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

BICEP2 vindt een verrassend groot gravitatiegolf signaal, wat erop wijst dat de energieschaal tijdens inflatie erg hoog was. Als dit resultaat bevestigd wordt, dan kunnen theoretisch fysici hier hun tanden op stuk bijten.

"De meest spectaculaire ontdekking die LIGO en Virgo kunnen maken, is het vinden van gravitatiegolven die direct na de oerknal zijn uitgezonden, of een andere gravitatiegolf-achtergrond zoals veroorzaakt door bijvoorbeeld kosmische strings", zegt dr. Marieke Postma, theoretisch fysicus op Nikhef.

FOM-instituut Nikhef participeert in experimenten om gravitatiegolven straks direct te detecteren
FOM-werkgroepleider prof.dr.ing. Jo van den Brand en zijn team van Nikhef proberen gravitatiegolven direct te detecteren (en niet indirect via een polarisatie-effect in de elektromagnetische CMB). Hiervoor gebruiken zij interferometers met kilometerslange armen, waaronder Virgo bij Pisa in Italië waaraan Nikhef meedoet en de LIGO-detectoren in de VS. Dit jaar wordt er nieuwe apparatuur geïnstalleerd om de gevoeligheid van de instrumenten te verbeteren. Volgend jaar wordt Virgo (een ook de LIGO detectoren in de VS) aangezet. De eerste gezamenlijke meting zal plaatsvinden in 2016.

Toekomstige gravitatiegolven-experimenten
Ook werkt Nikhef mee aan een ruimtemissie voor gravitatiegolffysica. Op 28 november 2013 heeft ESA besloten om eLISA te selecteren als L3-missie. eLISA bestaat uit drie satellieten die samen een interferometer in de ruimte zullen vormen met armen van een miljoen kilometers. De lancering is gepland voor 2034 en hiermee zal een space based observatorium voor gravitatiegolven gerealiseerd worden. Daarnaast worden er studies gemaakt voor Einstein Telescope: een gigantische ondergrondse infrastructuur, waarbij zes deels cryogene interferometers met tien kilometer lange armen een paar honderd meter onder de grond worden geplaatst om de effecten van seismische trillingen te minimaliseren.

BICEP2-resultaat
De BICEP2 collaboratie heeft tekenen van gravitatiegolven ontdekt in de polarisatie van de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Deze CMB is de reststraling van de oerknal. Tijdens de oerknal was de temperatuur van deze straling immens hoog, maar door de continue expansie van het heelal is de temperatuur inmiddels afgenomen tot ongeveer 2.7 Kelvin. De cruciale implicatie van het BICEP2-resultaat is dat het sterke experimentele aanwijzingen geeft dat het proces van inflatie een rol heeft gespeeld in het ontstaan van ons universum. Inflatie stelt dat het ultra-jonge universum, op ongeveer 10^-36 seconden na de Plancktijd, een korte periode (ongeveer 10^-32 s) van versnelde expansie heeft doorgemaakt, waarbij haar grootte met een ongeveer factor 10²⁶ is toegenomen. Dit proces is door de Amerikaanse kosmoloog prof. Alan Guth bedacht en belangrijke bijdragen zijn geleverd door onder andere de Russisch-Amerikaanse fysicus prof. Andrei Linde. Inflatie geeft een verklaring waarom het heelal nu op grote schaal vlak, homogeen en isotroop lijkt.

De temperatuurverdeling van de CMB is nauwkeurig gemeten met bijvoorbeeld de Planck-satelliet en toont slechts kleine verschillen (ongeveer één deel op honderdduizend). Volgens kosmologen zijn deze kleine temperatuurfluctuaties het directe gevolg van quantumfluctuaties in het zogenaamde inflatonveld (het quantumveld dat verantwoordelijk is voor inflatie; de quantum-excitaties van dit veld heten inflatonen). Deze kleine temperatuurverschillen zijn tijdens de continue expansie van het geelal uitgegroeid tot sterren, sterrenstelsels en clusters.

Naast bovengenoemde 'scalaire' fluctuaties, was er ook een tweede quantumveld dat fluctueerde: het gravitatieveld. Deze zogenaamde 'tensor' fluctuaties in de structuur van ruimtetijd worden gravitatiegolven genoemd. Ze rekken en comprimeren dingen als de golven zich met de lichtsnelheid voortplanten. BICEP2 is erin geslaagd om de effecten van gravitatiegolven ontstaan tijdens de oerknal te zien in speciale patronen (zogenaamde B-modes) in de polarisatie van de CMB.

Contact
Vanessa Mexner (afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef) +31 (0)20 592 50 75
Prof.dr.ir. Jo van den Brand (Nikhef en Vrije Universiteit Amsterdam)
Dr. Marieke Postma (Nikhef)

Meer informatie
Website Nikhef-gravitatiegolven-programma
Website Virgo
Website BICEP2