Het universum neuriet — en we beginnen eindelijk te horen wat het zegt

Heb je ooit in een ruimte gestaan waar het zo stil was dat je het gebouw zelf hoorde zoemen? Blijkbaar heeft het universum zijn eigen versie van dat fenomeen. Wetenschappers hebben ontdekt dat er een soort achtergrondgeluid door de ruimte golft — een golf van zwaartekrachtsgolven die als een kosmische hartslag door tijd en ruimte bewegen. En we zijn nu pas beginnen te begrijpen wat dit veroorzaakt.

Dit is waar het spannend wordt. Een nieuwe studie wijst erop dat een deel van dit kosmische geruis wel eens de echo's zou kunnen zijn van gebeurtenissen die meer dan 13 miljard jaar geleden plaatsvonden. Toen was het universum nog een baby. We hebben het over de allereerste generatie superzware zwarte gaten — geboren uit enkele van de meest exotische sterren die ooit hebben bestaan.

Wacht even — sterren die op donkere materie werken?

Laat me dit uitleggen, want het is nogal vergezocht. Iedereen weet hoe gewone sterren functioneren: ze zijn in wezen gigantische fusiereactoren, die waterstofatomen in elkaar slaan om helium te maken en daarbij enorme hoeveelheden energie vrijgeven. Maar wat als ik je vertel dat er in het vroege universum misschien een totaal ander type ster bestond?

Deze hypothetische objecten heten Donkere Sterren, en ze halen hun energie niet uit kernfusie zoals onze zon. In plaats daarvan worden ze aangedreven door donkere materie — het mysterieuze spul dat ongeveer 27 procent van het universum uitmaakt maar nog nooit direct is gedetecteerd.

Hier wordt het interessant: als donkere materiedeeltjes elkaar binnen deze sterren konden vernietigen — wat onder bepaalde omstandigheden theoretisch mogelijk is — dan zouden ze genoeg energie vrijgeven om de ster te laten stralen zonder kernfusie. En omdat deze donkere-materie-verhitting anders werkt dan gewone fusie, konden deze sterren absolute kolossen worden: mogelijk miljoenen keren de massa van onze zon.

Wat heeft dit te maken met zwaartekrachtsgolven?

Goede vraag. Zwaartekrachtsgolven zijn in wezen rimpels in het weefsel van ruimtetijd zelf. Stel je voor dat je een steen in een vijver gooit: de golven verspreiden zich naar buiten. Zo werken zwaartekrachtsgolven ook, alleen dan door het hele universum. Ze ontstaan wanneer extreem zware objecten versnellen — bijvoorbeeld wanneer twee zwarte gaten om elkaar heen draaien en uiteindelijk samensmelten.

Wetenschappers gebruiken Pulsar Timing Arrays om deze golven op te sporen. Pulsars zijn snel draaiende neutronensterren die als kosmische metronomen fungeren: ze sturen radiopulsen uit met een verbazingwekkende precisie. Wanneer zwaartekrachtsgolven passeren, veroorzaken ze minieme verschuivingen in de aankomsttijd van die pulsen op aarde. Het is ongelooflijk subtiel — alsof je de breedte van een atoom probeert te meten in de afstand tussen sterren — maar astronomen zijn er steeds beter in geworden.

De teams hebben ontdekt wat lijkt op een achtergrondgeruis van zwaartekrachtsgolven. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt door ontelbare paren superzware zwarte gaten in de loop van de kosmische geschiedenis. De standaardverklaring is dat we het gecombineerde "lied" horen van zwarte-gaten-samensmeltingen die over miljarden jaren hebben plaatsgevonden.

Het ontbrekende puzzelstuk: waar kwamen deze zwarte gaten vandaan?

Hier wordt het onderzoek echt boeiend. De wetenschappers onderzochten of superzware zwarte gaten die in het zeer vroege universum ontstonden, uiteindelijk het zwaartekrachtsgolfachtergrondsignaal konden produceren dat we nu detecteren. Concreet keken ze of zwarte gaten die uit die exotische Donkere Sterren waren geboren, de voorouders konden zijn van de zwarte gaten die deze golven veroorzaken.

Het antwoord lijkt ja te zijn — en het zou best wel eens een groot deel van de verklaring kunnen zijn.

De onderzoekers modelleerden hoe deze antieke zwarte gaten zich over kosmische tijd zouden ontwikkelen. Ze zouden samen met hun gaststelsels groeien, af en toe paren met andere zwarte gaten en uiteindelijk samensmelten — waarbij zwaartekrachtsgolven vrijkomen. Als er genoeg van deze Donkere-Ster-restanten in het vroege universum bestonden, konden hun nakomelingen een aanzienlijk deel van het zwaartekrachtsgolfsignaal verklaren dat we nu waarnemen.

Waarom dit belangrijk is

Dit is een grote doorbraak, om verschillende redenen. Ten eerste verbindt het twee gebieden van de astronomie die niet altijd met elkaar spreken: zwaartekrachtsgolfwetenschap en de studie van het vroege universum. We gebruiken letterlijk zwarte-gaten-samensmeltingen van vandaag om te leren wat 13 miljard jaar geleden bestond.

Ten tweede biedt het een mogelijke oplossing voor een van de lastigste raadsels van de astronomie: hoe werden superzware zwarte gaten zo snel zo enorm? De James Webb-ruimtetelescoop heeft zwarte gaten gevonden die al kolossaal waren toen het universum nog jong was. We hebben altijd moeite gehad uit te leggen hoe ze de tijd kregen om zo groot te groeien. Donkere Sterren zouden het antwoord kunnen zijn: hun donkere-materie-brandstof zou hen in staat stellen om veel sneller massa op te hopen dan gewone sterren.

En ten slotte geeft het ons een heel nieuwe manier om het vroege universum te bestuderen. In plaats van uitsluitend af te hangen van licht — dat zijn beperkingen heeft wanneer we zo ver terugkijken — kunnen we zwaartekrachtsgolven gebruiken als een volkomen nieuw raam naar de kosmische geschiedenis.

Vooruitblik

Het onderzoek suggereert dat huidige zwaartekrachtsgolfmetingen ons daadwerkelijk iets kunnen vertellen over hoe gebruikelijk deze vroege zwarte-gaten-zaden waren. Wat een gedachte — we gebruiken rimpels in ruimtetijd om objecten te tellen die werden gevormd toen het universum nog geen miljard jaar oud was.

Natuurlijk is dit nog theoretisch. Donkere Sterren blijven hypothetisch, en er is meer onderzoek nodig om te bevestigen of dit echt is wat ons kosmische geruis veroorzaakt. Maar het feit dat we deze vragen überhaupt kunnen stellen? Dat is het soort ding dat astronomie zo eindeloos fascinerend maakt.

Het universum stuurt ons altijd al berichten — we worden alleen steeds beter in het lezen ervan.