Zullen wetenschappers ooit naar de oerknal kunnen kijken en zo de geschiedenis van het heelal ontrafelen? De eerste waarneming van een zwaartekrachtgolf doet hen daarvan dromen. ‘Het is alsof je zit te kijken naar mensen op een podium die met stukken hout en koper bezig zijn, maar je hoort niets. Opeens vallen je oordoppen af en hoor je prachtige muziek van een orkest.’
Het wordt nu al bestempeld als dé wetenschappelijke doorbraak van 2016, en als misschien wel de belangrijkste natuurkundige waarneming van de laatste decennia: de eerste observatie van een zwaartekrachtgolf, een kosmisch verschijnsel waarvan Albert Einstein exact honderd jaar geleden in zijn algemene relativiteitstheorie het bestaan had voorspeld. Einstein meende evenwel dat het onmogelijk zou zijn om ooit zwaartekrachtgolven te observeren, maar daarmee onderschatte hij het menselijke vernuft. Al was er wel een ploeg van meer dan duizend wetenschappers nodig om het huzarenstuk te volbrengen.
Een van hen is de Vlaming Chris Van Den Broeck, verbonden aan het Nederlandse Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef). De theoretisch natuurkundige doctoreerde op de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie en de kwantumzwaartekracht. Vanaf 2005 boog hij zich over de studie van zwaartekrachtgolven, in de verwachting dat het mogelijk zou zijn om ze waar te nemen. Tien jaar later was het zover: op 14 september 2015 om 11.51 uur onze tijd werd in de VS gedu-rende 0,2 seconde een zwaartekrachtgolf gecapteerd door twee LIGO-detectoren (voor Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). De waarneming werd op 11 februari bekendgemaakt in Physical Review Letters, een blad dat eerder al wiskundige simulaties van de zoektocht had gepubliceerd, zodat de onderzoekers het niet meer dan logisch vonden dat het ook de primeur van de ontdekking kreeg. Het was eveneens een huzarenstukje om het grote nieuws bijna een half jaar stil te houden. ‘Iedereen besefte dat dit verhaal te groot was om zomaar naar buiten te brengen’, vertelt Van Den Broeck. ‘Toch sta ik er versteld van dat pas een week voor de persconferentie de eerste details zijn uitgelekt.’
LIGO werd in de jaren 1990 gebouwd. Hoe ontwikkel je een instrument voor zo’n vaag doel als het opsporen van zwaartekrachtgolven?
CHRIS VAN DEN BROECK: Er is twintig jaar over nagedacht. Het is het meest gevoelige meetinstrument dat de mens ooit heeft gebouwd. Het is in staat een lengteverschil van de dikte van een menselijk haar te meten tussen onze zon en de dichtstbijzijnde andere ster, Proxima Centauri, een afstand van vier lichtjaren. Dat is indrukwekkend. We hadden het geluk dat er tijdens het proefdraaien al een zwaartekrachtgolf werd opgepikt, want officieel begon het instrument pas vanaf 18 september 2015 te werken.
LIGO bestaat uit twee detectoren, met telkens twee armen van vier kilometer lang. Waarom?
VAN DEN BROECK: Je hebt twee detectoren nodig die zich ver van elkaar bevinden, in dit geval het zuidoosten en het noordwesten van de VS, om te vermijden dat je in de war wordt gebracht door ongewenste trillingen, zoals van passerende vrachtwagens of vliegtuigen. Vervolgens heb je zo lang mogelijke armen nodig om verfijnd te kunnen meten. We waren beperkt tot vier kilometer, omdat je anders problemen krijgt met de kromming van de aarde. En om de armen ondergronds te leggen, was het budget te klein.
Dus met meer detectoren en langere armen zouden jullie meer kunnen doen?
VAN DEN BROECK: Inderdaad, maar daar wordt aan gewerkt. Eind dit jaar zal in Italië de Virgo-detector in gebruik worden genomen, waardoor we onder meer de bron van een zwaartekrachtgolf in de ruimte zullen kunnen traceren. Samen met de twee Amerikaanse detectoren zullen we dan, wanneer we een zwaartekrachtgolf oppikken, een soort driehoeksmeting naar haar oorsprong kunnen doen. Er zijn ook plannen voor de bouw van een Einsteintelescoop – een detector van de volgende generatie – in Europa. We zijn daar druk voor aan het lobbyen. Voorts wordt er gewerkt aan eLISA, wat staat voor evolved Laser Interferometer Space Antenna. Dat is een project waarbij drie satellieten, met een onderlinge afstand van een miljoen kilometer, in een baan om de zon zullen worden gebracht. De satellieten zullen laserstralen uitwisselen om zwaartekrachtgolven op te vangen met een andere frequentie dan die welke we nu kennen.
Dat klinkt meer als een wild idee dan als een wetenschappelijke onderneming.
VAN DEN BROECK: O, maar het project is al goedgekeurd door het Europees Ruimtevaartagentschap ESA. Het zal in 2034 gelanceerd worden en zal dan meer dan 1 miljard euro gekost hebben. In 2015 is de eerste sonde in het kader van het project al gelanceerd, de LISA Pathfinder, die de technologie van de laserinterferometer in de ruimte moet testen. De eerste resultaten wijzen uit dat het ontzettend goed gaat.
Hoe krijgt u mensen zo gek om die waanzinnige bedragen uit te trekken voor een wetenschappelijke speurtocht?
VAN DEN BROECK: Het was vanaf het begin duidelijk dat het iets zou opleveren. Er zijn een heleboel bronnen van zwaartekrachtgolven. Wij dachten altijd dat om elkaar draaiende dubbele neutronensterren die tegen elkaar botsen ons de eerste zwaartekrachtgolven zouden opleveren. De kans dat we tijdens ons leven in onze Melkweg zo’n gebeurtenis meemaken, is minimaal klein, maar gelukkig bestrijken de detectoren een groot deel van het heelal, en zo werd het concept realistisch.
Vanwaar komt de fascinatie voor iets zo esoterisch als een zwaartekrachtgolf? De ontdekking was wereldnieuws.
VAN DEN BROECK: Ik weet het niet, maar je kunt natuurlijk goed uitleggen wat het is. Het is niet iets als rimpels op een wateroppervlak, wel iets als de ruimte in de vorm van een grote plumpudding die je kunt doen bibberen, maar dan wel een plumpudding van de hardst denkbare substantie die moeilijk te vervormen is. Alleen extreme gebeurtenissen zoals de botsing van twee neutronensterren of van twee zwarte gaten kunnen die ruimte aan het bewegen brengen. De golven zijn het resultaat van de beweging. Ze reizen over enorme afstanden door de ruimte. De golf die we waarnamen, was meer dan 1 miljard jaar onderweg voor we ze zagen.
Jullie hebben maar één golf gezien?
VAN DEN BROECK: Ja, maar we zijn de tweede helft van onze dataset nog aan het analyseren. We gaan ervan uit dat er elke dag een aantal zwaartekrachtgolven over en door de aarde rollen, maar de meeste daarvan zullen te zwak zijn om ze te kunnen detecteren.
Kan de aarde zelf zwaartekrachtgolven veroorzaken?
VAN DEN BROECK: Ja, maar die zijn zo zwak dat we ze nooit zullen kunnen waarnemen.
De golf die jullie waarnamen, werd als onwaarschijnlijk krachtig omschreven.
VAN DEN BROECK: Ze was twee keer krachtiger dan de drempel waarboven we een golf kunnen opvangen. Ze viel meteen op in de gegevens. Onze detectoren werkten nog maar aan een derde van hun capaciteit. Als de golf niet zo krachtig was geweest, hadden we ze niet gecapteerd. Daarenboven had ze net de frequentie waar onze detectoren het gevoeligst voor zijn.
Het was een collega in Duitsland die de golf voor het eerst opmerkte, niet iemand in de VS?
VAN DEN BROECK: Iedereen die in de samenwerking zit, heeft toegang tot de gegevensbank. In de VS was het toen nog nacht, in Europa was de werkdag al begonnen. De eerste die zich over de gegevensbank boog, zag het signaal.
Hoe weten jullie zo zeker dat het signaal afkomstig was van twee botsende zwarte gaten met een massa van respectievelijk 29 en 36 keer die van onze zon?
VAN DEN BROECK: We hebben in afwachting van de eerste waarneming natuurlijk niet stilgezeten. Op basis van de algemene relativiteitstheorie kun je berekenen welk soort golf je in welke omstandigheden kunt verwachten. Je gaat dan duizenden, zelfs miljoenen mogelijke golfvormen matchen met je gegevens, waaruit je van alles kunt afleiden over de massa’s van de betrokken objecten en de snelheid waarmee ze om hun as en om elkaar tollen. De vorm van een zwaartekrachtgolf kan ons dus enorm veel leren over een aantal opvallende verschijnselen in het heelal. In feite is deze waarneming de eerste rechtstreekse observationele bevestiging van het bestaan van zwarte gaten, want tot dusver bestonden die alleen in theoretische bespiegelingen. Neutronensterren zijn al waargenomen, maar voor zwarte gaten is dat onmogelijk, want ze laten geen licht of elektromagnetische stralen los.
Is het correct dat de gebeurtenis die tot deze zwaartekrachtgolf leidde de krachtigste was die ooit is waargenomen, op de oerknal na?
VAN DEN BROECK: Niet de meest energetische, want er is een uitbarsting van gammastralen met meer energie geregistreerd, maar wel de krachtigste in functie van energie-uitstraling per tijdseenheid. Op het moment van de explosie bij het versmelten van de twee zwarte gaten had de golf een hoeveelheid energie die hoger was dan wat alle sterren in het heelal op dat moment samen uitstraalden.
Is het zeker dat de golf zich voortbeweegt met de snelheid van het licht?
VAN DEN BROECK: Dat is bijna zeker, want we hebben het kunnen meten. We focussen ons daarbij op de studie van het graviton, het hypothetisch deeltje dat zwaartekracht moet overbrengen, vergelijkbaar met hoe het foton licht overdraagt. Maar we hebben alleen de golf gezien, geen deeltje. Door goed naar de golf te kijken, kunnen we eigenschappen afleiden van het deeltje, als het zou bestaan. Zo hebben we vastgesteld dat het graviton zo goed als geen massa kan hebben, wat overeenstemt met de theorie.
U zoekt dus naar eigenschappen van een deeltje waarvan u niet zeker weet dat het bestaat?
VAN DEN BROECK: Het klinkt bizar, maar dat is inderdaad het geval. Voor een theoretisch fysicus is dat niet zo eigenaardig. Voor zover ik weet, heeft niemand al een experiment bedacht waarmee je gravitonen rechtstreeks zou kunnen waarnemen.
Dat klinkt als Einstein die dacht dat je nooit zwaartekrachtgolven zou kunnen waarnemen.
VAN DEN BROECK: Hoe geniaal Einstein ook was, hij werd af en toe in verwarring gebracht. Hij is na zijn voorspelling van het bestaan van zwaartekrachtgolven weer beginnen te twijfelen. Hij meende ook dat zwarte gaten niet konden bestaan, dat zware sterren bij hun dood niet tot zwarte gaten in elkaar zouden klappen, omdat een of andere kracht hen daarvan zou weerhouden. Het concept van zwarte gaten was destijds zelfs voor een briljante geest als Einstein te extreem.
Wat gaan jullie nu doen met de nieuwe inzichten?
VAN DEN BROECK: We hebben er nu een nieuw zintuig bij gekregen. Je kunt de situatie vergelijken met naar een orkest kijken zonder dat je iets hoort. Je ziet op een podium mensen bezig met stukken hout en stukken koper, maar je hoort niets. Opeens vallen je oordoppen af en hoor je prachtige muziek. Dat is de fase waarin we nu zitten.
En wat voor moois hopen jullie nu te kunnen horen?
VAN DEN BROECK: We verwachten andere soorten zwarte gaten te ontdekken. We hopen ook de interne structuur van neutronensterren te kunnen ontrafelen. We vermoeden dat het een gigantische atoomkern is die uit een massa neutronen bestaat, maar zeker is dat niet – het is heel ingewikkeld om dat te simuleren. De vorm van een golf afkomstig van een botsing tussen twee neutronensterren zou daar informatie over kunnen leveren. Als wat wij ‘normale’ astronomen noemen, tegelijk naar de elektromagnetische nagloed van zo’n botsing zouden kunnen kijken, zouden we er extra informatie uit kunnen halen. Maar dan moeten ze snel zijn, want zo’n nagloed wordt snel heel zwak.
Hoe groot is de kans dat de oerknal een zwaartekrachtgolf produceerde?
VAN DEN BROECK: Het is mogelijk, maar om die eventueel op te pikken, zullen we geluk moeten hebben. Een scenario is dat er zwaartekrachtgolven ontstonden op het einde van de korte periode van inflatie, waarin het beginnende heelal na de oerknal heel snel heel groot werd. Het verval van het deeltje dat de inflatie veroorzaakte (het inflaton) zou een zwaartekrachtgolf geproduceerd kunnen hebben. Maar er zijn andere scenario’s mogelijk. Helaas kennen we er niet alle parameters van, zodat we niet weten bij welke frequenties we hun signalen zouden kunnen oppikken. Onder meer daarom is het belangrijk dat er meer detectoren komen, die allemaal een ander venster met een verschillend frequentiegebied op de ruimte bieden. Dat zou de kans op het oppikken van zo’n oerzwaartekrachtgolf sterk verhogen. Een andere manier om zwaartekrachtgolven te vinden, is kijken naar een groot aantal neutronensterren in onze Melkweg. Die draaien om hun as, en als er een zwaartekrachtgolf passeert zal het erop lijken dat het draaien eventjes aan een iets andere frequentie gebeurt. Op die manier zou je neutronensterren als een soort gigadetector voor zwaartekrachtgolven in de Melkweg kunnen gebruiken.
Zal ook de geheimzinnige donkere materie, die het grootste deel van de materie in het heelal zou uitmaken maar nog nooit gezien is, in beeld komen?
VAN DEN BROECK: Ik vermoed van niet, tenzij er compacte objecten in zouden zitten die kunnen samensmelten. Als we een groot aantal samensmeltende neutronensterren zouden kunnen waarnemen, zouden we die wel kunnen gebruiken als kosmische afstandsbakens, waardoor we zicht zouden krijgen op de evolutie van het heelal, inbegrepen de proportie donkere materie en donkere energie, en de snelheid waarmee het heelal uitdijt.
Dit werk gaat een Nobelprijs opleveren. Met meer dan duizend betrokken wetenschappers en slechts drie personen die een prijs kunnen krijgen, moet dat toch tot onrust leiden?
VAN DEN BROECK: Nee hoor, het lijkt me evident dat het Nobelprijscomité zal beslissen dat de prijs gaat naar de drie mensen die in de jaren 1970 het concept van interferometers voor het opvangen van zwaartekrachtgolven bedacht hebben. Die zijn gelukkig nog in leven.
DOOR DIRK DRAULANS
‘We gaan ervan uit dat er elke dag een aantal zwaartekrachtgolven over en door de aarde rollen, maar de meeste daarvan zullen te zwak zijn om ze te kunnen detecteren.’
‘De kans bestaat dat wetenschappers ooit een zwaartekrachtgolf oppikken die afkomstig is van de naweeën van de oerknal.’
