De structuur van het heelal ontrafelen met zwaartekrachtgolven
Eeuwenlang hebben astronomen het heelal bestudeerd door lichtsignalen te verzamelen. Sinds 2015 stelt het bewijs van een belangrijke voorspelling van Einstein ons in staat om het heelal op een nieuwe manier te onderzoeken: door middel van zwaartekrachtgolven. Astronomie promovendus Valeriya Korol heeft uitgedacht hoe we deze zwaartekrachtgolven kunnen gebruiken om de Melkweg te bestuderen. Promotie 19 juni.
Zwaartekrachtgolven
‘Zwaartekrachtstraling of –golven zijn verstoring in de kromming of structuur van de ruimte-tijd, veroorzaakt door versnelde massa’s. Sommige eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van licht. Ze bewegen met dezelfde snelheid in een vacuüm, en hebben een bepaalde frequentie en amplitude. Maar anders dan licht, worden ze niet verstrooid of geabsorbeerd door materie. Albert Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtgolven in zijn algemene relativiteitstheorie van 1916. Onderzoekers konden ze echter pas 100 jaar later detecteren, op 14 september 2015, toen LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de vervormingen in de ruimte-tijd ontdekte die afkomstig van passerende gravitatiegolven die veroorzaakt werden door twee botsende zwarte gaten, bijna 1,3 miljard lichtjaren verderop!
Zwaartekrachtgolven worden gegenereerd door objecten in de ruimte die ofwel geen licht uitzenden (zoals twee samensmeltende zwarte gaten), ofwel heel weinig licht uitzenden en dus praktisch niet op te sporen zijn, zelfs niet met de modernste telescopen (zoals neutronensterren en dubbele witte dwergen). Daarom kunnen we deze gravitatiegolven gebruiken als een nieuw instrument om het "onzichtbare" heelal te onderzoeken.’
Multi-messenger bronnen
Korol deed onderzoek naar zogenaamde dubbele witte dwergsterren: één van de sterkste bronnen van zwaartekrachtgolven in ons sterrenstelsel. Hoewel het signaal zwak is, kun je dubbele witte dwergen ook waarnemen met een optische telescoop. Astronomen noemen ze daarom ookwel multi-messenger bronnen. ‘Dit betekent dat we op meer dan één manier informatie van deze bron kunnen verkrijgen’, legt Korol uit. ‘We gebruiken elektromagnetische golven, de boodschappers van het elektromagnetisch veld, en zwaartekrachtgolven, de boodschappers van het zwaartekrachtveld.’
‘Deze twee signalen dragen zeer verschillende informatie’, zegt Korol. ‘Uit het licht kunnen we de chemische samenstelling en temperatuur van een astronomisch object afleiden, terwijl we uit de zwaartekrachtsgolven juist leren over hun massa en afstand.’ Door verschillende signalen van hetzelfde object te combineren, kunnen astronomen veel meer leren dan van optische waarnemingen of zwaartekrachtgolven alleen. Korol is de eerste die deze multi-messenger eigenschappen van dubbele witte dwergen onderzoekt.
Dubbele witte dwergen
In haar proefschrift stelt Korol een manier voor om zwaartekrachtgolven te gebruiken om de Melkweg en haar omgeving te bestuderen. ‘In ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, zijn veel bronnen van zwaartekrachtgolven’, vertelt ze. ‘Een mooi voorbeeld zijn dubbele witte dwergen. Binnen deze systemen draaien twee witte dwergsterren in minder dan één uur om elkaar heen. Het zijn zeer productieve zenders van zwaartekrachtgolven. De nieuwe Laser Interferometer Space Antenna (LISA) van ESA zal deze signalen binnenkort kunnen detecteren.
Witte dwergen
Een witte dwerg is één van de mogelijke eindstadia van een ster die het einde van zijn levenscyclus heeft bereikt. Zijn zwakke lichtsterkte komt van de uitstoot van opgeslagen thermische energie, er vindt namelijk geen kernfusie meer plaats in een witte dwerg.
Structuur van de Melkweg
Korol ontdekte dat dertien van de honderd bekende dubbele witte dwergen sterke zwaartekrachtgolven uitzenden en dus zeer geschikt zijn voor de komende LISA-missie. Met behulp van een numerieke techniek voorspelde ze dat onderzoekers met de huidige en toekomstige missies tienduizenden nieuwe dubbelen witte dwergen zullen ontdekken. ‘Ik heb laten zien dat LISA nieuwe dubbele witte dwergen zal kunnen ontdekken tot aan de rand van de Lokale Groep, waar onze naburige sterrenstelsels zich bevinden. Omdat het samensmelten van witte dwergen een mogelijke oorzaak van supernova explosies is, zal dit belangrijk zijn voor het begrijpen van de oorsprong van deze gebeurtenissen. Tot slot heb ik bewezen dat we de combinatie van zwaartekrachtgolven en optische waarnemingen kunnen gebruiken om de structuur van de Melkweg te bestuderen. Met de gecombineerde informatie kunnen we een completere kaart van ons sterrenstelsel maken.’
Brug tussen nieuw en oud
Sinds haar kindertijd is Korol al geïntrigeerd door hoe ons universum werkt. Later, op de universiteit vond ze inspiratie in de LISA-missie. ‘Ik geloof echt dat dit de coolste missie is die ooit door wetenschappers is bedacht!’ Nu streeft ze er met haar innovatieve scriptie naar een brug te slaan tussen traditionele astronomie en het gloednieuwe veld van de zwaartekrachtgolfastronomie. ‘Aan de ene kant gebruik ik een geheel nieuw type straling om de structuur van de Melkweg te bepalen, terwijl ik aan de andere kant juist goed werkende oude technieken in dit nieuwe veld breng.’ Haar bijdragen dragen bij aan een nog grotere innovatie: haar geliefde LISA-missie. ‘LISA wordt één van de grootste ruimtemissies die de wetenschappelijke gemeenschap ooit heeft bedacht in elk opzicht: ontwerp, engineering, technische testen en theoretische voorspellingen, zoals mijn eigen project.’ LISA is momenteel in ontwikkeling en zal naar verwachting in 2030 van start gaan.’
Prijs en beurs voor Korol
In april 2019 ontving Valeriya Korol de prestigieuze Rubicon Grant van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het Rubicon-programma geeft jonge, veelbelovende onderzoekers de kans om internationale onderzoekservaring op te doen. Korol zet haar eigen onderzoeksproject voort bij het Instituut voor Sterrenkunde in Cambridge en het Institute for Gravitational Wave Astronomy in Birmingham. Ze zal in de herfst beginnen. Ze blijft werken aan de synergie tussen elektromagnetische golven en zwaartekrachtgolven in de hoop nieuwe inzichten op te doen voor theorieën over de vorming van melkwegstelsels en nieuwe testen voor kosmologische modellen.
Korol ontving ook de Gruber Foundation Fellowship 2019. In samenwerking met de International Astronomical Union (IAU) financiert de Gruber Foundation (TGF) een jaarlijkse beurs van 50.000 dollar voor jonge astronomen. Dit jaar heeft het evaluatiepanel besloten om aan twee astronomen een beurs van 25.000 dollar toe te kennen.