Hoe Nederland naast de Nobelprijs greep: deze onderzoekers ontdekten bijna als eerste zwaartekrachtgolven

Ruim tien jaar voordat de Nobelprijs voor natuurkunde ging naar de eerste meting van zwaartekrachtgolven, kwamen onderzoekers uit Nederland al dicht bij dat door Einstein onmogelijk geachte resultaat.

Fysicus Giorgio Frossati droomde er jarenlang van. Een glanzende bol, honderdduizend kilogram zwaar, gekoeld tot zo’n 270 graden onder nul. Behangen met ultragevoelige sensoren die de eerste tekenen moesten opvangen dat ruimte en tijd kunnen trillen, als een drilpudding waarop je een klap met een lepel geeft.

Die trillingen zouden de formules van de relativiteitstheorie van Albert Einstein bevestigen. Bovendien geven ze astronomen een extra zintuig bij hun verkenning van het heelal. Alsof je het universum ineens niet alleen kunt horen en zien, maar ook kunt vóélen. Dat zet de deur op een kier naar ontelbare nieuwe inzichten over de ware aard van onze werkelijkheid.

Geen wrok

Wie zoiets als eerste zou meten, wist Frossati, kon direct een retourtje Stockholm boeken om de Nobelprijs op te halen. Nu, twaalf jaar na zijn pensioen en twee jaar nadat anderen voor exact die ontdekking de prijs wonnen, kijkt Frossati niet terug met wrok. Sterker nog: zodra hij praat over ‘zijn’ bol beginnen z’n ogen nog altijd te twinkelen. ‘Het was een fantastische tijd.’

Frossati’s Grail (Gravitational Radiation Antenna In Leiden), niet toevallig vernoemd naar de heilige graal uit de Arthurlegendes, had het huzarenstukje van zijn carrière moeten worden. ‘Met die bol hadden we zeker zwaartekrachtgolven gemeten’, zegt hij. Als de bouw volgens plan was verlopen, had het in 2003 al raak kunnen zijn, ruim tien jaar voordat de Amerikaanse Ligo-detector het rillen van de ruimte mat, veroorzaakt door twee zwarte gaten. Die kosmische monsters cirkelden vlak voor hun botsing om elkaar heen, in een fatale dans die ruimte en tijd als een soort beslagmixer doorroerde en aan het bewegen bracht.

Die specifieke trilling had Grail niet kunnen meten. De ‘toonhoogte’ die dat soort zware voorwerpen veroorzaken – de frequentie van de trilling in ruimte en tijd – was daarvoor te laag. Ontwerpstudies suggereerden dat Grail vooral gevoelig was voor hogere tonen, veroorzaakt door het kosmisch geroer van lichtere voorwerpen, zoals neutronensterren – sterren die zo sterk zijn samengeperst dat in hun binnenste vrijwel alleen neutronen, bouwstenen van atomen, kunnen overleven. Als Grail zou zijn gebouwd, hadden ze die signalen zéker gemeten, stelt Frossati nu.

Twijfels bij buitenwacht

‘Volgens mij dachten ze vooral dat ik gek was’, zegt hij. Met ‘ze’ doelt hij op de beslissers van de Nederlandse wetenschappelijke geldverstrekker NWO, waar Frossati in 1997 zijn ambitieuze plan voor de bouw van de Grail neerlegde. ‘We hadden vijf universiteiten die wilden meewerken en zouden de bol bouwen bij fysica-instituut Nikhef.’

Tegelijk waren de twijfels bij de buitenwacht groot. En niet alleen bij NWO. Albert Einstein zelf schreef honderd jaar eerder al dat niemand in staat zou zijn om zwaartekrachtgolven te meten. Het effect op ruimte en tijd leek hem te zwak, te moeilijk te betrappen, de benodigde apparatuur was destijds nog volkomen ondenkbaar.

Desondanks werkten fysici al tientallen jaren aan instrumenten die de trillingen toch moesten kunnen meten. Staven, laserstralen en andere opstellingen speurden naar absurd minieme vervormingen, die volgens de theorie kleiner waren dan de stijging van het waterpeil van het IJsselmeer wanneer je daar één extra druppel water in laat vallen. Vele miljoenen waren in het onderzoek gepompt, zonder enig resultaat. Het leidde tot koudwatervrees bij NWO. ‘Ik denk dat ze het te riskant vonden. Ze durfden niet te investeren’, zegt Frossati.

MiniGrail

Omdat NWO toch ook de potentie zag, kreeg hij wel een beetje geld, om de boel eerst eens kleinschaliger uit te proberen. Dat leidde tot de miniGrail, een relatief bescheiden detector met een doorsnede van 68 centimeter, gebouwd aan de Universiteit Leiden.

Het was in die periode, tijdens de voorstudies voor miniGrail, dat fysicus Arlette de Waard bij het project betrokken raakte, vertelt ze terwijl ze een rondleiding geeft door koelmachinebedrijf Leiden Cryogenics. Dat levert gespecialiseerde installaties aan bedrijven zoals Microsoft en IBM, universiteiten zoals MIT, Stanford en TU Delft en onderzoeksgroepen van China tot Europa. Bij het bedrijf, mede opgericht door Frossati, werkt De Waard samen met een aantal oud-collega’s. Hun kennis van de koelmachines verkregen ze tijdens het miniGrail-project, waarbij ze de detector moesten koelen tot zo’n 270 graden onder nul.

Dat was noodzakelijk omdat warmtetrillingen bij kamertemperatuur vele malen sterker zijn dan het signaal dat ze hoopten te meten, zegt De Waard terwijl ze in de werkplaats even stopt bij een knalroze koeltoren. ‘De klant, een onderzoeker aan de universiteit van Stanford, heeft zijn dochter de kleur laten kiezen’, zegt ze grinnikend. ‘Toen een andere klant dat hoorde, wilden zij óók een roze koelmachine. Dus nu staan er twee in de werkplaats.’

De Waard herinnert zich haar tijd bij miniGrail als gezellig én spannend. ‘Ik werkte zeven dagen per week, vaak van acht uur ’s ochtends tot tien uur ’s avonds. En dat zes jaar lang. Ik vond dat héérlijk, het kostte me totaal geen energie. We moesten alles vanaf nul opbouwen en konden steeds weer nieuwe stappen zetten. Altijd met dat spannende einddoel in ons achterhoofd, om als eerste die zwaartekrachtgolven waar te nemen’, zegt ze.

Resultaten bleven uit

De druk om te presteren was hoog. Om zichtbaar te blijven wilden de onderzoekers op elk wetenschappelijk congres iets nieuws kunnen melden. ‘Vooroplopen, progressie boeken, dat was belangrijk’, zegt ze. Lange tijd lukte dat heel aardig. Totdat Frossati, in 2006, met pensioen ging. ‘Daarna droogde het geld op. Er was ook niet zoveel interesse meer voor dit onderzoek. Waarschijnlijk omdat er, ondanks al onze inspanningen, nog steeds geen resultaten waren’, zegt De Waard.

Frossati vraagt zich ook nog altijd af waarom zijn project uiteindelijk stopte voor er tastbare resultaten waren geboekt. ‘We kregen wel financiële toezeggingen. Vanuit de Universiteit Leiden bijvoorbeeld, die in ons een potentieel paradepaardje zagen. De toenmalige rector had het geld zelfs al toegezegd, maar uiteindelijk kwam het toch weer niet rond’, herinnert hij zich. ‘Ook hij dacht misschien dat ik gek was.’

Maar, eerlijk is eerlijk, geeft ook De Waard toe: de miniGrail was ook gewoon te veel afgezwakt ten opzichte van het oorspronkelijke plan, blijkt achteraf. ‘Het is heel aannemelijk dat we met de Grail de eerste zwaartekrachtgolven hadden waarg­enomen’, zegt zij. ‘Maar de miniGrail was een factor honderd minder gevoelig dan het Ligo-experiment dat in 2015 de golven voor het eerst waarnam.’

Volgens fysicus Bas Swinkels (Nikhef) is het maar de vraag of zelfs de grote Grail voldoende was geweest voor de eerste meting van zwaartekrachtgolven. ‘Om een detectie te kunnen claimen, zeker de allereerste, moet je die eigenlijk met twee detectoren tegelijk meten’, zegt hij. Swinkels werkt zelf aan de Virgo-detector in Pisa (Italië), de Europese tegenhanger van Ligo. ‘Wij kunnen de kans berekenen dat ons signaal nep is door signalen van meerdere instrumenten te vergelijken’, zegt hij. Naast Virgo is dat Ligo, die zelf ook weer uit twee detectoren bestaat, op verschillende plekken in de VS. ‘Anders weet je niet zeker dat het signaal niet veroorzaakt wordt door een lokale verstoring, zoals een aardbeving, bliksem, ruis of kapotte elektronica.’

Dat realiseerde ook Frossati zich. Als Grail was doorgegaan, was in Rome naar verwachting een tweede detector gebouwd. Die detector, met werktitel Sfera, werd geschrapt toen het budget voor Grail niet rondkwam.

Twee bollen operationeel houden was financieel wel een fikse uitdaging geweest. Vooral helium, nodig om de enorme bollen te koelen, was duur. Voor de grote Grail was daarvan zo’n 14.300 liter nodig. ‘We waren van plan een apparaat te kopen dat zo’n 150 liter helium per uur vloeibaar kon maken’, zegt De Waard. Voordat je kon gaan waarnemen moest je dan eerst vier dagen lang helium verwerken. Vervolgens kostte het nog eens acht dagen om al dat helium in het koelapparaat te laten lopen. Duur en tijdrovend, maar ‘zeker te doen’, volgens De Waard. Althans: als het geld voor het project was rondgekomen.

‘De miniGrail is uiteindelijk helaas een stille dood gestorven en afgevoerd naar het museum’, zegt fysicus Tjerk Oosterkamp (Universiteit Leiden). Hij staat tentoongesteld voor het publiek in wetenschapsmuseum Boerhaave in Leiden, als tastbaar voorbeeld van dat wetenschap, hoe ambitieus en innovatief ook, niet altijd de gewenste resultaten oplevert.

Dat betekent niet dat het project geen vruchten heeft afgeworpen. ‘De technologie die voor miniGrail is ontwikkeld, is voor mijn eigen onderzoek van doorslaggevend belang’, zegt Oosterkamp, die werkt met krachtsensoren die zo klein en zo nauwkeurig zijn dat hij ze onder meer kan gebruiken om afzonderlijke virussen in kaart te brengen. Bij de ontwikkeling van die sensoren zijn onderdelen nodig die toevallige trillingen extreem goed buiten de deur kunnen houden. Net als bij het miniGrail-experiment, dat nog liep toen hij zijn carrière in Leiden begon.

‘Ik was nooit direct bij miniGrail betrokken’, zegt Oosterkamp. Maar hij had wel een onderzoeker in dienst die ook aan dat project werkte. ‘Hij ontwikkelde tegelijk hun sensoren én paste ze aan voor toepassing in de krachtsensoren’, zegt hij.

Bollennetwerk

Het onderzoeksveld heeft nog altijd zijn interesse. ‘Ik zou erg benieuwd zijn wat je kunt doen wanneer je nu honderd van die bollen bouwt’, zegt hij. Je zou de meetgegevens die ze verzamelen dan achteraf aan elkaar kunnen knopen, zodat een heel nauwkeurig superinstrument ontstaat. ‘De technologie is alweer tien jaar verder. Zo’n netwerk van bollen kan ook naast Ligo en Virgo bestaan’, zegt hij, maar vertelt daar meteen bij dat hij niet van plan is om die handschoen op te pakken. ‘Je hebt iemand nodig die daar zijn of haar hele carrière aan wil wijden. Ik ben te druk met mijn eigen projecten.’

Ook Frossati en De Waard zien veel in het opnieuw opbouwen van een bollennetwerk. ‘Mijn gevoel is dat er veel meer kleine zwarte gaten en neutronensterren zijn dan grote zwarte gaten’, zegt Frossati. ‘En juist voor dat soort botsingen zou zo’n netwerk heel gevoelig kunnen zijn.’ Bovendien zouden de bollen tegenwoordig ‘relatief goedkoop’ zijn, zegt hij. Voor een grove 3 miljoen euro per bol ben je wel klaar. Ter vergelijking: Ligo kostte bijna een miljard.

Volgens Swinkels zou een nieuw bollenproject slechts zin hebben wanneer ze niet alleen andere botsingen kunnen waarnemen dan de beschikbare detectors, maar wanneer ze ook grofweg even gevoelig zijn. En juist dat kan een uitdaging worden. ‘Als je nu geld zou krijgen om een soort superGrail te bouwen, moet je niet concurreren met de gevoeligheid van de Ligo en Virgo, maar met toekomstige projecten zoals de Einstein Telescoop’, zegt hij. Dat apparaat, dat mogelijk onder de grond van Limburg verrijst, zal over pakweg twintig jaar metingen gaan doen en is op papier vele malen beter dan de huidige detectoren.

Hoewel hun project door te weinig financiering nét geen zwaartekrachtgolven kon meten, kijken Frossati, De Waard en hun collega’s zonder rancune terug. Sterker nog: toen Ligo in 2015 de eerste meting van zwaartekrachtgolven bekend maakte op een persconferentie, had de gemeenschappelijke ruimte bij Leiden Cryogenics nog het meeste weg van een bedrijfskantine tijdens een WK-wedstrijd van Oranje: stuk voor stuk staarden de voormalige miniGrailers gespannen naar een speciaal daarvoor opgezet groot scherm.

‘Uiteindelijk overheerst het gevoel van trots’, zegt De Waard. ‘Als je naar de wetenschappelijke publicatie van Ligo kijkt, dan zie je eerst vier pagina’s met alleen maar namen. Zij deden dit met honderden mensen en een enorm budget. Wij deden ons onderzoek met vier man. Het is eigenlijk ongelooflijk wat we op die manier al bereikten.’