Wageningse methoden gebruikt bij analyse zwaartekrachtgolven

Nieuws

Wageningse methoden gebruikt bij analyse zwaartekrachtgolven

Gepubliceerd op
28 september 2016

Begin dit jaar was het groot nieuw: zwaartekrachtgolven bestaan! Bij de analyse ervan, honderd jaar na de theoretische voorspelling door Einstein, is gebruik gemaakt van dataverwerkingstechnieken die zijn bedacht door Cajo ter Braak, onderzoeker van Wageningen University & Research. De zogeheten Differential Evolution Markov Chain (DE-MC) Monte Carlo methode is tien jaar geleden ontwikkeld voor toepassing in modern onderzoek in landbouw, voedingen milieu. De Wageningse vinding heeft in het LIGO experiment (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) geholpen bij het doorrekenen van een botsing tussen twee zwarte gaten, zo’n 1,3 miljard jaar geleden.

Zwaartekrachtgolven detecteren

Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein wordt de zwaartekracht die massa’s op elkaar uitoefenen vervangen door een kromming van de ruimte. Als er iets met zo’n massa gebeurt, kan je dat op een afstand zien doordat de kromming van de ruimte verandert, met als gevolg een tijdelijke verandering van de lengte van een meetlat waar zo’n golf langs loopt. Probleem: het effect is heel klein en je moet een heel extreme gebeurtenis hebben om met de allerbeste detectiemethoden de rimpeling waar te nemen.

Ruis en complexiteit

Het botsen van twee zwarte gaten met ieder een massa van enkele tientallen keren die van de zon is tamelijk extreem en het LIGO experiment dat een verandering in lengte van tien tot de macht min 18 meter (een duizendste van de diameter van een atoomkern) op een meetlat van 1 kilometer kan detecteren is een van de allerbeste detectiemethoden, maar daarmee ben je er nog niet. Twee andere problemen die je moet overwinnen zijn ruis en complexiteit. Voor die laatste twee heb je een goede dataverwerkingsmethode nodig en daar komt de Wageningse DE-MC methode van pas.

Ieder experiment, hoe nauwkeurig ook, heeft last van ruis. Wat een signaal lijkt, kan veroorzaakt worden door iets anders dan wat je probeert te detecteren; van een langsvliegende snuitkever tot een stroomstoring door het noorderlicht. Daarbij komt dat het echte signaal dat je zoekt wordt gegenereerd door een complex proces: hoe draaien de zwarte gaten precies om elkaar heen voor ze op elkaar botsen. Die complexiteit maakt het moeilijk om uit signaal met ruis iets over de parameters van het proces te weten te komen. Dat is precies waar de DE-MC methode voor is ontwikkeld en dat is ook wat de methode zo universeel toepasbaar maakt.

Een goed huwelijk

Voor het beschrijven van de botsing zijn 13 parameters gebruikt. Een bekende uitspraak, toegeschreven aan de grootste wiskundige van onze tijd John von Neumann, zegt: met vier parameters kan ik een olifant fitten, met vijf kan ik hem zijn slurf laten zwaaien. Als je die lijn doortrekt dan is het een klein wonder dat er met dertien parameters geen complete chaos uitkomt. De essentie van de methode is om op een slimme manier met de parameterwaarden te spelen, in plaats van hopeloos verdwaald te raken in de hoog-dimensionale parameterruimte. De slimme sprongen van DE-MC in de parameterruimte helpen om de minuscule rimpelingen in de échte ruimte te beschrijven, zo blijkt het achteraf een voor de hand liggend huwelijk.