De jacht op zwaartekrachtsgolven

De ruimtetijd kan trillen als een puddinkje, zei Einstein. Nu honderd jaar later nadert de jacht op deze zwaartekrachtsgolven haar ontknoping. Govert Schilling schreef in november vorig jaar over de wetenschappelijke revolutie die vanmiddag waarschijnlijk werkelijkheid wordt.

Beeld Janssen R.

Ten zuidoosten van Pisa, vlak bij Cascina, ligt een pijp in het landschap. Een stalen buis van 1,2 meter in doorsnee en maar liefst 3 kilometer lang. Sterker: er liggen twéé van die buizen, loodrecht op elkaar, in de vorm van een gigantische L. Ze zijn hemelsblauw geschilderd, zodat ze iets minder opvallen tegen de Toscaanse hemel. Boerenweggetjes gaan er via kleine bruggetjes overheen.

In het hoekpunt van de L ontmoeten de twee reusachtige pijpen elkaar in een fantasieloos gebouw dat eruitziet als een fabriekshal. Bas Swinkels, een nuchtere Nederlander die hier al acht jaar werkt, stapt naar binnen, trekt cleanroomkleding aan en loodst zijn bezoek door een wirwar van hightechapparatuur, vacuümbuizen en optische precisie-instrumenten. Dit is het hart van de Europese Virgo-detector, waar natuurkundigen jacht maken op zwaartekrachtsgolven.

Volg de Volkskrant

U kunt de Volkskrant ook via Facebook, Twitter, Instagram en WhatsApp volgen. Een volledig overzicht vindt u hier.

Elke dag de Volkskrant Avond Nieuwsbrief of de politieke nieuwsbrief Dagkoersen in uw mailbox? Schrijf u hier gratis in.

Zwaartekrachtsgolven? Ja, wen er maar vast aan. Astronomen en natuurkundigen staan aan de vooravond van een wetenschappelijke revolutie. Zeer binnenkort, zo is de stellige overtuiging, worden minuscule trillingen ontdekt in de ruimtetijd, afkomstig van explosieve verschijnselen in het heelal. Ontploffende sterren, botsende zwarte gaten, dat soort werk. En die zwaartekrachtsgolven zie je niet met een gewone telescoop. Je moet ze meten met precisiedetectoren zoals Virgo.

Swinkels strooit geroutineerd superlatieven in het rond. De twee hemelsblauwe buizen vormen met 7.000 kubieke meter het grootste vacuümsysteem in Europa. De precisiespiegels aan de uiteinden van de twee armen worden stilgehouden op picometer-niveau - een miljardste millimeter. Laserstralen stuiteren honderden keren heen en weer, voordat ze bij elkaar worden gebracht om elkaar te versterken of uit te doven. Zo kom je heel snelle, onvoorstelbaar kleine trillingen in de lege ruimte op het spoor. Althans, dat is het idee.

Op het Amsterdamse Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica, bouwde een groep natuurkundigen onder leiding van kernfysicus Jo van den Brand enkele hightechonderdelen voor Virgo, waarvan de laatste vorige maand zijn geplaatst. Allemaal in het kader van een ingrijpende upgrade die de afgelopen jaren plaatsvond. Dankzij de opgeschroefde gevoeligheid kan de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven niet ver weg meer zijn, denkt Van den Brand.

Albert Einstein zou het prachtig gevonden hebben. Eind november is het precies honderd jaar geleden dat Einstein in Berlijn zijn algemene relativiteitstheorie presenteerde, waarin ruimte en tijd één onlosmakelijk geheel vormen. Anderhalve maand later, in januari 1916, kwam hij met een nieuwe voorspelling. Als je een grote hoeveelheid materie heel sterk versnelt, begint de ruimtetijd een beetje te trillen, als een drilpudding waartegen je een tikje geeft. Die zwaartekrachtsgolven bewegen met de lichtsnelheid door het heelal en vervormen alles wat ze op hun weg tegenkomen.

Einstein had eind jaren dertig nog een wat onbestemd gevoel over zijn voorspelling. Inmiddels lijkt niemand meer te twijfelen aan het bestaan van de ruimtetijdtrillinkjes, vooral niet sinds ze veertig jaar geleden op indirecte wijze van zich lieten horen. Direct gemeten zijn ze nog nooit. Als dat eindelijk wél zou lukken, vormt dat het ontbrekende sluitstuk in de bevestiging van de relativiteitstheorie. Ook kan de theorie dan getoetst worden onder extreme omstandigheden zoals die in het heelal voorkomen, bijvoorbeeld in de directe omgeving van zwarte gaten.

Dubbelster

In 1974 ontdekten Amerikaanse astronomen twee kleine, compacte sterren die in minder dan 8 uur om elkaar heen draaien, op een onderlinge afstand van iets minder dan 2 miljoen kilometer.

Uit precisiemetingen aan de radiopulsjes van een van de twee sterren blijkt dat de omlooptijd elk jaar 76,5 microseconden kleiner wordt. Dat betekent dat hun afstand afneemt met ongeveer 3,5 meter per jaar.

Over circa 300 miljoen jaar zullen ze met elkaar botsen en versmelten. Dat de twee sterren langzaam maar zeker naar elkaar toe bewegen is een overtuigend maar indirect bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtsgolven: het verlies aan baanenergie komt exact overeen met de energie die de dubbelster - volgens Einsteins relativiteitstheorie - in de vorm van zwaartekrachtsgolven zou moeten uitzenden.

Bovendien bieden zwaartekrachtsgolven een compleet nieuwe manier om het heelal te bestuderen, aldus Bernard Schutz van de Universiteit van Cardiff, voormalig directeur van het Albert Einstein Institute in Potsdam. Eind juni, op de laatste avond van een grote internationale conferentie over zwaartekrachtsgolven in Gwangju, Zuid-Korea, legde Schutz het op treffende wijze uit tijdens een publiekslezing voor nieuwsgierige studenten. Een foto van een jungle stond daarbij model voor de manier waarop astronomen tot nu toe het heelal bestudeerden: door te kijken. 'Maar als je ook kunt luisteren, gaat er een hele nieuwe wereld voor je open', zei Schutz, terwijl hij een kakofonie van oerwoudgeluiden liet horen. 'Ons heelal is een jungle, bevolkt door wilde dieren.'

Even voor de duidelijkheid: zwaartekrachtsgolven zijn geen geluidsgolven. In het vacuüm van de lege ruimte is geen geluid. Maar het gaat wel om een verschijnsel van een compleet andere orde dan licht, radiogolven of röntgenstraling. Het is de lege ruimte zélf die trilt, bibbert en siddert, 'aangeslagen' door supernova-explosies of versmeltende sterren. Zwaartekrachtsgolven zijn geen spelers óp het toneel van de kosmos, het zijn de minieme vervormingen van het toneel zélf.

In Gwangju, in het megalomane Kim Daejung Convention Center, heerste afgelopen zomer een opgewonden, verwachtingsvolle stemming. Binnen hooguit twee jaar is het raak, daar was iedereen van overtuigd. Sommige optimisten dachten zelfs dat de eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven al voor eind 2015 een feit zou zijn. Niet met de compleet vernieuwde Virgo-detector bij Pisa - die is pas in de loop van 2016 volledig operationeel. Maar misschien wel met de Amerikaanse tegenhanger LIGO, het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory.

(tekst gaat verder onder de afbeelding)

Beeld Janssen R.

Begin januari werd nog de laatste hand gelegd aan de upgrade van de LIGO-detector in Hanford, in het zuidoosten van de staat Washington, een dag rijden van Seattle. Geen lieflijk heuvellandschap zoals in Toscane, maar een troosteloos woestijnachtig gebied waar ooit plutonium werd geproduceerd voor Amerikaanse atoombommen en waar nog steeds grote hoeveelheden kernafval liggen opgeslagen. Ook hier ligt zo'n gigantische L in het landschap, maar dan met armen van 4 kilometer. Een tweede, identieke detector bevindt zich in Livingston, Louisiana, 3.000 kilometer verderop.

De twee LIGO-detectoren werken volgens hetzelfde principe als Virgo, vertelt Fred Raab, directeur van LIGO-Hanford. Een passerende zwaartekrachtsgolf produceert minieme variaties in de afstanden tussen de spiegels - kleiner dan de middellijn van een atoomkern. Die kom je op het spoor door te meten hoe de twee laserbundels elkaar afwisselend versterken en uitdoven. Om lokale trillingen uit te sluiten, heb je minimaal twee detectoren nodig: alleen als in Hanford en in Washington hetzelfde wordt gemeten, weet je zeker dat je beet hebt.

De eerste gezamenlijke waarnemingscampagne is op 18 september van start gegaan. Als de Europese Virgo-detector volgend jaar ook meedoet, is het zelfs mogelijk om via een soort driehoeksmeting vrij nauwkeurig te achterhalen uit welke richting de gedetecteerde zwaartekrachtsgolf afkomstig is. In Japan wordt ondertussen gebouwd aan een groot ondergronds instrument. En er komt binnenkort nog een vijfde detector bij. 'Heb je al die kisten zien staan?', vraagt Raab. 'Daar zit de oude Hanford-apparatuur in, van vóór de upgrade. Die wordt verscheept naar India, waar alles een tweede leven krijgt.'

(tekst gaat verder onder de graphic)

Beeld de Volkskrant

De eerste versies van de LIGO-detectoren werden in 2002 al in gebruik genomen, een jaar eerder dan de eerste versie van Virgo. Ze hebben niets gezien, maar daar had ook niemand echt op durven hopen. De focus lag vooral op het uittesten van technologieën en het leren omgaan met (en wegfilteren van) alle denkbare storende trillingen. Proof of principle dus, ter voorbereiding van het echte werk, met de Advanced LIGO en Advanced Virgo, die ongeveer tien maal zo gevoelig zijn. 'Als we nu niet heel snel iets detecteren, weet ik het ook niet meer', zegt Raab.

Ook Paul Groot van de Radboud Universiteit Nijmegen is er rotsvast van overtuigd dat de ruimtetijdtrillinkjes binnenkort gevonden zullen worden. Hij bereidt zich al voor op de stap die daarná komt: als je weet uit welke richting het signaal komt, wil je zo snel mogelijk kijken of er aan de sterrenhemel ook iets bijzonders te zien is. Vergelijk het maar weer met die jungle: als je een heel apart geluid hoort, wil je meteen de goeie kant op kijken om te zien wat voor dier daar zit. Groot en zijn collega's werken aan BlackGEM, een batterij robottelescopen op de Europese La Silla-sterrenwacht in Chili die volautomatisch in actie komen zodra LIGO of Virgo beet heeft. 'Een enorme uitdaging', noemt hij het.

100 jaar zwaartekrachtsgolven

1916 Albert Einstein voorspelt het bestaan van zwaartekrachtsgolven

1937 In een nieuw artikel twijfelt Einstein aan zijn eigen voorspellingen

1974 De Amerikaanse astronomen Russell Hulse en Joe Taylor vinden indirect bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtsgolven, door te kijken naar het baanenergieverlies van een dubbelster

2002 De Amerikaanse LIGO-detector verricht zijn eerste metingen, een jaar later gevolgd door de Europese tegenhanger Virgo

2015 Advanced LIGO gaat van start (18 september): nieuwe apparatuur met een tien maal zo hoge gevoeligheid

2015 Lancering van de Europese satelliet LISA Pathfinder (2 december), om technologieën uit te testen voor een toekomstige zwaartekrachtsgolfdetector in de ruimte

Het is trouwens denkbaar dat de eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven straks niet afkomstig is van peperdure detectoren als LIGO en Virgo, maar van relatief goedkope radiotelescopen. Bij ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie, maakt Gemma Janssen er al tien jaar lang jacht op, waarbij ze de kosmos zélf als detector gebruikt. Precisiemetingen met vijf grote Europese radiotelescopen aan tientallen pulsars - een soort kosmische vuurtorens - kunnen het bestaan van laagfrequente zwaartekrachtsgolven aan het licht brengen. Zulke golven veroorzaken namelijk periodieke variaties in de afstanden tot al die pulsars, en die vind je terug in de aankomsttijdstippen van de radiopulsen.

Dat er nog steeds niets is gevonden - ook niet door haar Australische en Noord-Amerikaanse collega's - vindt Janssen niet verontrustend: blijkbaar moeten de waarnemingen nog wat beter worden en de theoretische modellen nog wat verder aangescherpt. Kwestie van geduld en doorzettingsvermogen dus. Ook Janssen hoopt dat binnen hooguit een paar jaar de vlag uit mag.

En dan? 'Eén enkele detectie is geen wetenschap, maar een stunt', zegt LIGO-topman Fred Raab in Hanford stellig. 'Het wordt pas interessant als we zwaartekrachtsgolven routinematig gaan meten.'

In Gwangju denkt Bernard Schutz er net zo over. 'We moeten leren luisteren naar de wilde dieren in de kosmische jungle', zegt hij. 'Versmeltende sterren, om elkaar heen wentelende zwarte gaten en uiteindelijk zelfs de zwaartekrachtsgolven van de oerknal waarmee het heelal begon.'

Daarvoor is nóg meer gevoeligheid nodig. Een zwaartekrachtsgolfdetector in de ruimte bijvoorbeeld, zoals ruimtevaartorganisatie ESA die op de tekentafel heeft liggen. In het toekomstige eLISA-project (evolved Laser Interferometer Space Antenna) worden laserstralen op en neer gekaatst tussen twee ruimtesondes op een onderlinge afstand van pakweg één miljoen kilometer. De Europese kunstmaan LISA Pathfinder, die in Frans Guyana klaarstaat om op 2 december de ruimte in te gaan, moet het komende jaar alle technieken gaan uittesten die nodig zijn om die klus ooit te gaan klaren.

Stijve ruimte

Geef een tikje tegen een drilpudding en hij begint te trillen. Sla keihard op een blok beton en er gebeurt niets - beton is nu eenmaal stijver dan pudding. De lege ruimte is ook vervormbaar: hij dijt uit en kromt een beetje onder invloed van de zwaartekracht. Ruimte is echter extreem stijf. Daarom produceren zelfs de energierijkste verschijnselen in het heelal - botsende sterren of versmeltende zwarte gaten - maar kleine zwaartekrachtsgolven.

En Europese plannen voor een soort super-Virgo zijn er ook al: de Einstein Telescope, met ultrastabiele lasers, diepgekoelde spiegels en drie armen van 10 kilometer lang. Die komt bovendien minstens 150 meter onder de grond, om zo min mogelijk last te hebben van aardse trillingen. Nikhef-fysicus Jo van den Brand weet wel waar hij dat instrument gebouwd wil zien worden: onder het Drielandenpunt, op de grens van Nederland, Duitsland en België. En nee, dat is geen grap - Van den Brand is bloedserieus. De Vaalserberg heeft een stabiele ondergrond, er is een perfecte infrastructuu, en de High Tech Campus Eindhoven ligt bij wijze van spreken om de hoek.

'We gaan het de komende tijd uitwerken', zegt hij. 'Eerst wil ik steun verwerven van instanties als de KNAW en NWO. Daarna kunnen we met een uitgebreid meetprogramma van start; dat kan in de loop van 2016 rond zijn.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden