Zwaartekrachtsgolven leveren geen bewijs voor het bestaan van extra dimensies

Zowel zwaartekrachtsgolven als elektromagnetische golven ervaren blijkbaar maar vier dimensies.
18.9.18
Afbeelding: NASA

Vorig jaar wonnen drie natuurkundigen samen een Nobelprijs voor een onderzoek waarbij ze voor het eerst zwaartekrachtgolven konden meten, die veroorzaakt werden door botsende zwarte gaten. Slechts twee weken nadat de prijs bekend was uitgereikt ontdekten natuurkundigen uit hetzelfde lab – de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) – dat ze een zwaartekrachtgolf hadden gedetecteerd die veroorzaakt werd door de botsing van twee neutronensterren met een extreem hoge dichtheid.

In tegenstelling tot zwarte gaten, die alleen kunnen worden gedetecteerd door minuscule verstoringen in een gigantisch lasersysteem, produceerde de botsing van neutronensterren ook licht dat kon worden opgevangen met een optische sensor. Dus daarmee hadden de natuurkundigen van LIGO twee verschillende metingen van dezelfde gebeurtenis: één met zwaartekrachtgolven, en een andere met lichtdeeltjes. In meerdimensionale theorieën over zwaartekracht wordt de beweging van licht door de ruimte niet beïnvloed door extra dimensies, maar die van zwaartekrachtgolven wel. Door deze zwaartekrachtmetingen en lichtmetingen te vergelijken, konden de natuurkundigen van LIGO dus bepalen of deze twee verschillende golfvormen beïnvloed werden door hetzelfde aantal dimensies van ruimtetijd.

Aan de hand van hun recent gepubliceerde onderzoek in het Journal of Cosmology & Astroparticle Physics valt op te maken uit de metingen van de neutronensterbotsing dat zowel zwaartekrachtgolven als lichtdeeltjes vier dimensies (drie ruimtelijke dimensies plus tijd) ervaren. Met andere woorden: deze astrofysische gebeurtenis heeft geen bewijs geleverd voor het bestaan van extra ruimtetijddimensies, zoals wel voorspeld werd door verschillende zwaartekrachttheorieën. Dit is een grote ontdekking in de zin dat dit het aantal aannemelijke theorieën over de aard van de zwaartekracht en de relatie ervan met donkere materie en donkere energie vermindert. Zwaartekracht, donkere materie en donkere energie zijn een paar van de grootste mysteries in de natuurkunde.

“We hebben een hoop indirect bewijs dat donkere materie en donkere energie bestaan, maar we weten nog niet wat ze precies zijn,” vertelt Daniel Holz, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Chicago, me in een e-mail. “Een van de creatieve manieren waarop theoretici deze verschijnselen hebben geprobeerd te verklaren is door de wijze waarop zwaartekracht werkt over lange afstanden aan te passen, en in het bijzonder door extra dimensies toe te voegen aan de gangbare theorie.”

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie zou de kracht van een zwaartekrachtgolf “tegengesteld aan de lichtsterkte-afstand” af moeten nemen. Met andere woorden, na inachtneming van hoe dingen als de kromming van ruimtetijd en de uitdijing van het universum de bron van zwaartekrachtgolven kunnen beïnvloeden, moet een toename in afstand tot de bron samenhangen met een afname in de kracht van de zwaartekrachtgolf. Zodra je extra dimensies aan zwaartekrachttheorieën begint toe te voegen, begint deze relatie echter te veranderen. In ‘niet-compacte’ extradimensionele zwaartekrachttheorieën – kort gezegd, alles wat geen snaartheorie is, waar extra dimensies als het ware ‘opgerold’ zijn – lekken zwaartekrachtgolven deze extra dimensies binnen terwijl ze zich voortbewegen door tijd en ruimte. Dit zou moeten leiden tot een vermindering van hun kracht als ze worden waarneming, vergeleken met wat wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie.

Het zou onmogelijk zijn om dit te testen met uitsluitend data van zwaartekrachtgolven, omdat je hiervoor de afstand tot de bron van de zwaartekrachtgolf zou moeten weten. Een gedetecteerde golf met een sterkte die kleiner dan verwacht is, kan veroorzaakt zijn door een fout in de afgeleide afstand tot de bron van de golf, of te danken zijn aan een lek naar hogere dimensies. Het is onmogelijk om het verschil te weten als je maar één manier hebt om een gebeurtenis te meten die niet wordt beïnvloed door extra dimensies.

In extradimensionale zwaartekrachttheorieën treedt lekkage naar andere dimensies alleen op bij zwaartekrachtgolven met een extreem lage frequentie. Sommige theorieën stellen zelfs dat dit alleen gebeurt op golflengten op de schaal van de kosmische horizon, oftewel meerdere miljarden lichtjaren. En daarom zorgt een gebeurtenis die zowel zwaartekrachtgolven, als elektromagnetische straling produceert (zoals een botsing tussen twee neutronensterren) voor een referentiepunt voor het meten van het effect van extra dimensies op zwaartekrachtgolven, aangezien elektromagnetische straling volgens deze theorieën hier niet door wordt beïnvloed.

“Het is nogal fantastisch dat we hiermee het aantal dimensies van ruimtetijd in een enorm deel van het universum kunnen meten.”

Volgens de nieuwe resultaten van LIGO was er echter geen zichtbare lekkage naar andere ruimtetijd-dimensies. De sterkte, waargenomen door de sensoren van LIGO, voldeed exact aan de verwachtingen. Dit houdt in dat zowel zwaartekrachtgolven, als elektromagnetische golven slechts vier dimensies hebben (drie ruimtelijke dimensies plus tijd) – zelfs over gigantische afstanden van honderden miljoenen lichtjaren.

“We hebben kunnen meten dat zwaartekrachtgolven en licht door identieke universums reizen, en in onze bevindingen doen ze dat door dezelfde 3 + 1 dimensies,” zegt Holz. “Dit is de eerste keer dat we dit direct hebben kunnen testen, en het is nogal fantastisch dat we hiermee het aantal dimensies van ruimtetijd in een enorm deel van het universum kunnen meten.”

Volg Motherboard op Facebook, Twitter en Flipboard.