Nobelprijs voor natuurkunde naar fysici die baanbrekend onderzoek doen naar zwaartekrachttrillingen

De Nobelprijs voor natuurkunde 2017 gaat naar de al maanden gedoodverfde winnaars Kip Thorne (77) en Rainer Weiss (85) voor hun werk dat leidde tot de ontdekking van trillingen in ruimte en tijd. Een deel van de prijs gaat naar fysicus Barry Barish (81). Dat is dinsdagochtend in Stockholm bekendgemaakt.

Rainer Weiss (l) en Kip Thorne. Beeld epa

De twee fysici bedachten en bouwden de Ligo-detectoren in Amerika, twee reusachtige meetinstrumenten op 1.000 kilometer afstand van elkaar in Louisiana en Washington die in het najaar van 2015 de eerste trillingen registreerden. Die moesten volgens theoretici afkomstig zijn van twee botsende zwarte gaten meer dan een miljard lichtjaar van de aarde, zo is het vermoeden.

De prijs is voor een ontdekking die de wereld deed schudden, aldus het Nobelprijscomité bij de bekendmaking. Weiss krijgt de helft van de prijs, Thorne en Barish delen de andere helft. De prijs wordt volgens traditie op 10 december in Stochholm uitgereikt door de Zweedse koning, de sterfdag van Alfred Nobel.

Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne. Beeld epa

Torenhoge favorieten

In elk geval Thorne en Weiss golden al een jaar als torenhoge favorieten voor de Nobelprijs vanwege hun historische ontdekking. Die bevestigde de relativiteitstheorie van Einstein onomstotelijk. Sindsdien zijn vier andere ruimtetijdtrillingen gezien, de laatste in combinatie met een nieuwe Europees observatorium, Virgo bij Pisa in Italië.

Virgo-leider en VU-hoogleraar Jo van den Brand neemt direct na de bekendmaking emotioneel de telefoon op. Hij kent de drie winnaars goed, zegt hij, maar hij is vooral blij met de erkenning voor het Ligo-team van meer dan duizend mensen. 'Het is mooi omdat al dat werk gewaardeerd wordt', zegt hij. Van den Brand bekent dat hij de bekendmaking met tranen in de ogen heeft gevolgd. Dat was op een wetenschappelijke bijeenkomst in Utrecht over zwarte gaten, waar ondermeer ook Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft sprak. De zaal keek op een groot scherm naar de presentaties in Stockholm en barstte in euforie uit toen het zover was.

Thorne en Weiss

Kip Thorne is de theoreticus van de winnaars, een expert in Einsteins zwaartekrachttheorie uit 1915 en de gevolgen ervan. Hij is verbonden aan Caltech in Passadena. Hij berekende welke heftige kosmische processen de omliggende ruimtetijd genoeg kunnen vervormen en in trilling brengen om op aarde voelbaar te worden. Einstein zelf geloofde nooit dat zulke trillingen echt te meten zouden zijn. Thorne meende van wel en gaf ook aan hoe groot en gevoelig de meetapparatuur zou moeten zijn. Thorne is bij het grote publiek vooral bekend als de genius achter de film Interstellar van Christopher Nolan uit 2014, waarvoor hij de visuele effecten van een zwart gat rigoureus doorrekende.

Rainer Weiss, geboren in Berlijn, was de eerste fysicus die zich realiseerde dat het uitrekken en krimpen van de vierdimensionale ruimtetijd te meten zou zijn met elkaar kruisende laserstralen. Hij is verbonden aan het MIT in Boston. Eigenlijk raakte Weiss bij toeval in het vakgebied verzeild, zegt sterrenkunde-auteur Govert Schilling, die onlangs een boek schreef over LIGO. 'Hij was een echte knutselaar, iemand die al een heel leven aan radio's van medestudenten prutste, maar werd gevraagd om een college relativiteitstheorie te geven. Daar kwam het idee van lasers om ruimtetijd te meten voor het eerst bij hem op.'

De drie winnaars bij elkaar. Beeld epa

In de jaren negentig ontwikkelden Thorne en Weiss met anderen de eerste plannen voor de grote laserdetectoren die minieme veranderingen in de afstanden tussen spiegels kunnen opmerken Zulke spiegels moeten kilometers uit elkaar worden geplaatst in hoog vacuum en vergen enorme bouwprojecten. Alle verstoringen van de buitenwereld moeten worden voorkomen. In de eerste aanloop maakten MIT en Caltech er volgens ingewijden een rommeltje van het project. Geldschieter NSF dreigde meermalen de stekker uit het project te trekken.

Pas nadat de Amerikaanse deeltjesfysicus Barry Barish werd ingehuurd werden de krachten echt gebundeld en werden de twee detectoren in Washinton en Louisiana daadwerkelijk gebouwd met Amerikaans overheidsgeld, op aandringen van Barish veel meer dan aanvankelijk was geraamd.

Kip Thorne Beeld epa

14 september 2015

Volgens het Nobelcomité was Barish de man die het project daarna stap voor stap steeds gevoeliger wist te maken, tot de apparatuur waarmee de eerste golf op 14 september 2015 kon worden opgevangen. Die ontdekking werd uiteindelijk op 11 februari 2016 bekend gemaakt en zorgde wereldwijd voor grote krantenkoppen. Inmiddels is ook de Virgo-detector aangesloten bij het project, waardoor beter dan met twee antenne's de plaats aan de hemel kan worden aangewezen waar de golven vandaan moeten zijn gekomen. 'Zonder een man als Barry kun je zo'n project niet aan, hij heeft er Big Science van gemaakt', zegt Jo van den Brand.

Govert Schilling interviewde eerder LIGO-leider Barry Barish voor zijn boek en trof een opmerkelijk ontspannen man, die het project volledig onder controle leek te hebben. Thorne heeft hij nooit gesproken, Weiss ('een spraakwaterval') wel enkele keren. Beroemd is de ontmoeting van Weiss en Thorne in de jaren tachtig. 'Een groter contrast kon je niet denken. Weiss als prototype nette natuurkundeleraar, Thorne als een Californische hippie op sandalen en in bloemenhemd. Maar het klikte meteen.'

Rainer Weiss Beeld epa

Vorige week nog maakte de LIGO-Virgo collaboratie bekend dat men een vierde golf had gezien, waarvan ook min of meer de herkomst aan te wijzen was. Tot nog toe hebben telescopen in dat gebied overigens niets bijzonders gezien. Theoretisch werd dat ook niet echt verwacht, omdat de golf wederom van twee in elkaar spiraliserende zwarte gaten kwam. Zwarte gaten zijn ingestorte sterren waaruit door de heftige zwaartekracht zelfs licht niet meer kan ontsnappen; hun versmelting herschikt ruimte en tijd maar geeft nog steeds een zwart gat, denken theoretici.

Volgens het Nobelprijscomité betekent het succes van LIGO (en Virgo) het begin van een nieuw tijdperk in de astronomie. Niet alleen kan nu naar licht en straling uit de kosmos worden gekeken, maar ook naar heftige verschijnselen die het heelal letterlijk doen schudden. Voordat er sprake is van echte zwaartekrachtgolfastronomie is nog wel verre toekomst, zegt de Nijmeegse sterrenkundige Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit, betrokken bij Virgo. 'Nu melden we het als er een golf wordt gezien. Op termijn hebben we met nieuwe instrumenten misschien een miljoen zwartegat-botsingen. Om te watertanden.' Internationaal wordt ondermeer gewerkt aan een nieuwe detector op land, de Einsteintelescope die wellicht in Limurg kan komen en rond 2030 klaar kan zijn. Ook is er een project in de ruimte voorzien, LISA, dat in 2034 in bedrijf komt.

Zwaartekrachtsgolven?

Albert Einsten formuleerde in 1915 zijn theorie van de zwaartekracht, die er vanuit gaat dat ruimte en tijd één geheel vormen. Dat ruimtetijd-spul heeft bovendien eigenschappen alsof het een materiaal is dat kan bewegen en trillen. Daartoe moeten wel extreme explosies en botsingen de omgeving opschudden. De golven planten zich vervolgens met de lichtsnelheid voort naar de omgeving, als kringen in een vijver. Op aarde, miljarden lichtjaren verderop, resten er nog slechts flauwe golfjes.

De LIGO-detector kan met lasers verstoringen van minder dan een atoomkern aantonen tussen spiegels die 1,3 kilometer uit elkaar staan. De eerste waarneming van 14 september 2015 was zo verrassend krachtig dat hij in de signalen met het blote oog te zien was. Aanvankelijk werd aan een test of storing gedacht. Door de twee detectoren te vergelijken kon dat worden uitgesloten.

Wat is er precies door de Nobelprijswinnaars ontdekt en wat betekent het?

Eindelijk bewijs: de ruimte trilt, Einsteins zwaartekrachttheorie uit 1915 klopt. Het bewijs kwam op maandagochtend 14 september 2015, iets voor elven: de aarde werd aantoonbaar getroffen door een minieme ruimterilling, veroorzaakt door twee elkaar opslokkende zwarte gaten anderhalf miljard lichtjaar hier vandaan.

Na die eerste ontdekking volgden meer rillingen die Einsteins theorie bevestigen.

En wat betekent Einsteins gelijk voor de sterrenkunde? Nou, een revolutie, legt Govert Schilling uit.

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.