sterrenkunde

Megatelescoop onder Limburgse heuvels komt dichterbij: fysici werken aan eerste test

Ruim 900 miljoen maakte het kabinet onlangs vrij voor de bouw van een unieke megatelescoop onder de heuvelige grond van Limburg. In Maastricht treffen fysici al de eerste voorbereidingen.

George van Hal
De binnenkant van een van de torens in de testopstelling in de Faculty of Science and Engineering van de universiteit van Maastricht. Beeld Jan Mulders
De binnenkant van een van de torens in de testopstelling in de Faculty of Science and Engineering van de universiteit van Maastricht.Beeld Jan Mulders

Het gebeurde zo’n anderhalf miljard jaar geleden, lang voor de geboorte van de mens. Laat staan dat de sterrenkunde al bestond, de wetenschap waarmee de mensheid de kosmos hoopt te doorgronden. Toch moeten we zover terug in de tijd om het moment te ontwarren waarop twee botsende zwarte gaten – loeizware voorwerpen die alles verzwelgen, inclusief het licht – het startschot gaven voor een geheel nieuwe tak van die sterrenkunde.

De waanzinnige hoeveelheid energie die bij de botsing vrijkwam, bracht de omringende ruimte en tijd in beweging. Die ruimtetijdrilling vertrok met de lichtsnelheid in alle richtingen, als golven in een vijver waarin je een steen gooit, en arriveerde even voor 11 uur ’s ochtends, op een verder onopmerkelijke maandag in september 2015, bij de aarde.

Het effect op onze planeet was zeer klein. Het kneedde haar een minibeetje, vergelijkbaar met de verandering in het waterpeil van het IJsselmeer wanneer daarin één enkele regendruppel valt. En toch konden fysici deze zwaartekrachtsgolf, zoals het getril van ruimte en tijd heet, betrappen. Deze trof namelijk twee net opgestarte meetinstrumenten in de Verenigde Staten, de enige die de handtekening van die oude klap uit de achtergrondruis konden vissen.

Dat deden die zogeheten Ligo-detectoren met behulp van kilometers lange tunnels waardoor laserstralen lopen, weerkaatsend op spiegels aan de uiteinden. Die zijn zodanig afgesteld dat ze aan het verschuiven van het laserpad kunnen afleiden wanneer een kosmische rimpeling passeert. Twee jaar na de meting wonnen de pioniers achter Ligo prompt de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Die eerste meting opende een geheel nieuw venster op het heelal. Tot dat moment bekeken astronomen de ruimte voornamelijk met behulp van licht, warmtestraling, radiogolven, microgolfstraling, enzovoorts. Stuk voor stuk verschijningsvormen van dezelfde elektromagnetische golven, waarbij onderling alleen de golflengte verschilt. Het deinen van ruimte en tijd gaf astronomen plots een nieuw kosmisch zintuig. Het was alsof ze het heelal tot voor kort alleen konden zien, maar nu ook plots konden horen.

In de luchtsluis wordt een medewerker schoon geblazen alvorens hij de cleanroom in mag.
 Beeld Jan Mulders
In de luchtsluis wordt een medewerker schoon geblazen alvorens hij de cleanroom in mag.Beeld Jan Mulders

Miljoenmaal gevoeliger

Spoel door naar nu, een handjevol jaren en enkele tientallen bevestigde metingen later, en natuur- en sterrenkundigen dromen alweer van meer. Van een meetinstrument voor de volgende generatie, een Europese zwaartekrachtgolfdetector die – voor sommige trillingsfrequenties – tot zelfs een miljoenmaal gevoeliger is dan z’n voorgangers, zodat je er duizenden signalen per dag mee kunt opvangen. Zo’n instrument, zo luidt de verwachting, kan zelfs de vaagste trillingen uit de kosmische diepte plukken en het heelal bestuderen tijdens zijn eerste momenten, een fractie van een seconde na de oerknal.

Die periode is zelfs voor de krachtigste nieuwe ‘gewone’ telescopen totaal ontoegankelijk, omdat het heelal destijds zodanig dicht samengepakt en heet was dat het volkomen ondoordringbaar was voor alles van zichtbaar licht tot microgolfstraling. Zwaartekrachtsgolven priemen daar echter moeiteloos doorheen.

Stefan Hild, projectleider van ETpathfinder, kijkt in een van de torens. Rechts: een onderdeel van een van de torens wordt verplaatst. Beeld Jan Mulders
Stefan Hild, projectleider van ETpathfinder, kijkt in een van de torens. Rechts: een onderdeel van een van de torens wordt verplaatst.Beeld Jan Mulders

Voor het wetenschappelijk megaproject dat die oergolven kan opvangen, is het Limburgse heuvellandschap – of eigenlijk: een plek ruim 250 meter ónder dat landschap – een van twee mogelijke locaties. Via het Nationaal Groeifonds maakte de Nederlandse overheid daarom onlangs ruim 900 miljoen euro vrij. Daarvan wordt 42 miljoen binnenkort uitgekeerd, bedoeld voor vooronderzoek en het optuigen van de organisatie. Bij succes volgt later nog 870 miljoen, wanneer het instrument echt in Nederland wordt gebouwd.

Want Italië dingt ook mee, met de mijnen van Sos Enattos op Sardinië als mogelijke plek. Uit voorstudies blijkt dat beide locaties geschikt zijn om het instrument te huisvesten. De telescoop moet namelijk diep onder de grond staan, zodat hij beschermd is tegen de trillingen van, bijvoorbeeld, langsrijdende vrachtwagens. Bovendien moet het gebied van zichzelf stabiel zijn, zodat het ‘stil’ genoeg is om zwaartekrachtsgolven te kunnen meten. Rond 2025 valt de definitieve beslissing over waar de Einstein Telescope, want zo gaat hij heten, wordt geplaatst.

Verpakte onderdelen in de opslag. Een van de redenen waarom delen in deze ruimte nog niet helemaal schoon geacht worden is het hout waarop ze staan. Rechts: een testopstelling van een van de lasers. Beeld Jan Mulders
Verpakte onderdelen in de opslag. Een van de redenen waarom delen in deze ruimte nog niet helemaal schoon geacht worden is het hout waarop ze staan. Rechts: een testopstelling van een van de lasers.Beeld Jan Mulders

Controlekamer vol dozen

Aan de Faculty of Science and Engineering van de Maastricht University – waar Engels de voertaal is – bouwen fysici aan een testopstelling die de grootste technologische vraagstukken rond de nieuwe megatelescoop moet beantwoorden. Op enkele honderden meters van de oevers van de Maas, in het aan de buitenkant inktzwarte gebouw waar vroeger de redactie en drukpers van dagblad De Limburger huisden, verrijst nu de ETpathfinder (voluit: Einstein Telescope pathfinder), een minivariant van de Einstein Telescope met tunnels van 20 meter, waar de echte straks ‘armen’ van 10 kilometer heeft.

‘Deze opstelling is te klein om zwaartekrachtsgolven te meten’, zegt fysicus Stefan Hild, projectleider van ETpathfinder, terwijl hij vanuit een ruimte vol glas in de gloednieuwe faculteit – tot zo’n vijf jaar terug deed Maastricht University nog niets aan onderzoek in de fundamentele natuurkunde – neerkijkt op de eerste contouren van de toekomstige minidetector. ‘Dit wordt de enige plek ter wereld waar je alle benodigde technologie, vacuümbuizen, lasers, spiegels, enzovoorts, samen kunt testen’, zegt hij. ‘Wat dat betreft maakt het voor ons niet uit of de Einstein Telescope om de hoek komt, of toch in Italië. We gaan zelfs onderzoek doen voor de Amerikanen, die bezig zijn met hun eigen opvolger van Ligo.’

Een van de siliconen spiegels die straks in de torens komen te hangen. Beeld Jan Mulders
Een van de siliconen spiegels die straks in de torens komen te hangen.Beeld Jan Mulders

In de ruimte zelf zie je halve en hele torens, waarin straks de spiegels komen te hangen. Op de grond liggen de in plastic verpakte verbindingsstukken. Een controlecentrum pal naast de ruimte van het nieuwe instrument, dat straks zal lijken op de bekende controlekamers bij raketlanceerbasissen, staat nog vol onuitgepakte dozen. ‘Aan het eind van het jaar moet alles hier af zijn’, zegt Hild.

Of nou ja: ‘af’… daarvan spreekt hij eigenlijk liever niet. ‘Dit experiment is nooit af. Het kan nog decennialang gebruikt worden om steeds modernere technologie te testen voor allerlei zwaartekrachtgolfexperimenten’, zegt hij.

Te beginnen met de Einstein Telescope, die niet alleen groter wordt dan de Ligo-detectoren of de Europese tegenhanger Virgo, maar onder de motorkap ook een paar grote veranderingen ondergaat. ‘Kan niet anders’, zegt Hild. ‘We willen straks tienduizend tot wel een miljoenmaal nauwkeuriger meten. De Einstein Telescope wordt een factor drie groter – en dus gevoeliger – maar dan ben je er nog lang niet. Je moet dan ook de technologie aanpassen.’

Onderdelen in de kamer waar de ETpathfinder verrijst. Beeld Jan Mulders
Onderdelen in de kamer waar de ETpathfinder verrijst.Beeld Jan Mulders

Zo proberen de fysici bijvoorbeeld zelfs de minieme brownbeweging, de door warmte gevoede beweging van afzonderlijke deeltjes, buiten de deur te houden door alles, inclusief de spiegels, te koelen tot ruim 260 graden onder nul. ‘Maar de glazen spiegels die men nu in Ligo en Virgo gebruikt, functioneren niet goed bij die extreem lage temperaturen’, zegt Hild. Vandaar dat men overstapt op silicium en de lasers vervangt door superstabiele varianten met een andere golflengte. Alleen: daarmee heeft niemand vooralsnog veel ervaring. ‘Daarvoor heb je dus iets als ETpathfinder nodig’, zegt Hild.

De ware aard van zwaartekracht

Hild kijkt ook uit naar wat de grote broer van ‘zijn’ pathfinder, de Einstein Telescope zelf, straks allemaal zal vinden. ‘Als je me vraagt waar ik energie van krijg, waarvoor ik ’s ochtends uit bed kom, dan zijn het alle onverwachte ontdekkingen die je met zo’n grote detector kunt doen’, zegt hij. ‘Met Ligo en Virgo hebben we bijvoorbeeld zwarte gaten ontdekt met een totaal onverwachte massa. Momenteel zijn er wel tweeduizend vakartikelen die dat proberen te verklaren’, zegt hij.

Maar, benadrukt Hild, onverwachte vindingen alleen zijn niet genoeg. ‘Laten we eerlijk zijn: met alleen zo’n vage belofte zal niemand je geld geven’, zegt hij lachend. ‘Daarom zijn er ook tientallen belangrijke onderwerpen in de natuur- en sterrenkunde waarbij we zeker weten dat de Einstein Telescope een doorslaggevende bijdrage kan leveren.’

Medewerkers in de cleanroom, op de achtergrond twee van de torens.  Beeld Jan Mulders
Medewerkers in de cleanroom, op de achtergrond twee van de torens.Beeld Jan Mulders

Zo kan het apparaat bijvoorbeeld helpen verklaren waaruit donkere materie bestaat, een onzichtbaar ‘iets’ dat je alleen indirect kunt ontdekken, bijvoorbeeld omdat het met zijn zwaartekracht voorkomt dat sterrenstelsels uit elkaar zwiepen. Mogelijk bestaat donkere materie uit kleine zwarte gaten die kort na de oerknal ontstaan zijn. En die zou de Einstein Telescope kunnen vinden.

‘We kunnen straks misschien zelfs meten wat er binnen in zwarte gaten zit’, zegt Hild. Dat werd tot nog toe onmogelijk geacht omdat niets uit een zwart gat kan ontsnappen, ook geen informatie over zijn binnenste. ‘Maar uit de echo’s van een botsing tussen twee zwarte gaten, die de Einstein Telescope straks kan horen, kunnen we misschien toch iets over dat binnenste afleiden.’ Het enige dat daarvoor nodig is? Een reusachtige detector, 200 meter onder de Limburgse heuvels. Het antwoord op de diepste astronomische raadsels is tegelijk nog nooit zo ver weg én zo dichtbij geweest.

Stefan Hild. Rechterfoto: Hild wijst, ingepakt, naar het openschuifbare dak in de opslag. Onderdelen kunnen hieruit de daadwerkelijke cleanroom in worden gehesen.  Beeld Jan Mulders
Stefan Hild. Rechterfoto: Hild wijst, ingepakt, naar het openschuifbare dak in de opslag. Onderdelen kunnen hieruit de daadwerkelijke cleanroom in worden gehesen.Beeld Jan Mulders
null Beeld

Aardse uitdagingen

Voordat de nieuwe Einstein Telescope de vroegste geheimen van de kosmos kan blootleggen, moeten de initiatiefnemers hun blik van de hemel eerst verschuiven naar het aardse. ‘Iedereen is enthousiast wanneer het gaat om de wetenschap en de kansen die de telescoop oplevert voor de regio op het punt van banen en economische bedrijvigheid’, zegt fysicus Jo van den Brand, projectdirecteur van Einstein Telescope.

Maar er liggen ook uitdagingen. Zo is de regio waar de telescoop moet komen een stiltegebied. ‘We moeten zorgen dat alles goed past in deze omgeving, waar ook toerisme belangrijk is.’ Voorts krijgt het megaproject, net als elk ander bouwproject in Nederland, te maken met strenge regels rond onder meer stikstof en CO2.

En dan is er nog het risico dat iemand anders iets wil ondernemen in het gebied van de toekomstige detector. Zo wilde mijnbouwbedrijf Walzinc in 2019 een zinkmijn openen in Plombières, vlakbij het Drielandenpunt. De bedrijvigheid in zo’n mijn zou zodanig veel achtergrondgetril veroorzaken dat dat de gevoelige detector zou kunnen overstemmen. ‘En ook windmolens kunnen problematisch zijn wanneer ze te dicht bij het observatorium komen’, zegt Van den Brand.

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden