Leerstoel gravitatiegolven
Een continu lachspiegeleffect
Foto boven en dit kader: stills uit Einstein and Eddington (2008)
Einsteins ruimtetijd voor dummies
Wie online zoekt naar informatie over zwaartekrachtgolven vindt vaak artikelen waarin ze worden uitgelegd als ‘een rimpeling in de ruimtetijd’. Als u nu denkt, ‘de ruimte-wattes?’ dan bent u niet de enige. ‘Het is geen simpele materie’, geeft Van den Broeck toe. Tijd voor een lesje natuurkunde. ‘Einstein stelde in 1915 de relativiteitstheorie op. Dat is een theorie die de zwaartekrachttheorie van Newton vervangt.’ Die laatste leren pubers nog altijd op de middelbare school.
‘In de theorie van Newton draaien wij om de zon, doordat de zon een kracht uitoefent op de aarde. Einstein bedacht daar een andere verklaring voor. In zijn relativiteitstheorie veroorzaakt de zon een kromming in de ruimtetijd.’ Die ruimtetijd kun je, net als in de film Einstein and Eddington, voorstellen als een gespannen tafellaken. Leg je in het midden van dat tafellaken een brood, dan zakt het tafellaken in en ontstaat een kromming. Je kunt een appel in het tafellaken lanceren zodat het ronddraait rond het brood. Zo draait ook de aarde in de kromming rond de zon. Als het balletje in een roulettetafel.
Maar hoe zit dat nu met die zwaartekrachtgolven? Van den Broeck: ‘Stel dat er aliens komen en voor de grap met de zon gaan schudden. De rimpelingen die ontstaan in het tafellaken, bereiken na verloop van tijd de aarde. Dit zijn de zwaartekrachtgolven. Voor zover we weten zijn er geen aliens die met de zon komen schudden. En dus moeten we op zoek naar andere bronnen van zwaartekrachtgolven.’ Bronnen van de golven die tot nu toe zijn gemeten, zijn botsingen tussen neutronensterren en tussen zwarte gaten.
Wetenschapsredacteur Bruno van Wayenburg van NRC legt uit wat zwaartekrachtgolven zijn.
Grote kans dat u er twee jaar geleden nog nooit van gehoord had. Maar opeens waren ze groot nieuws. Iedereen berichtte over de golven waarvan Einstein honderd jaar geleden het bestaan al voorspelde: de zwaartekrachtgolven.
Deze maand ontvangen drie wetenschappers van het LIGO-Virgo consortium de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2017 voor de eerste waarneming van een zwaartekrachtgolf. En ook de nieuwe bijzonder hoogleraar Chris van den Broeck is al jaren gefascineerd door het fenomeen. De astrofysicus werkt al twaalf jaar aan zwaartekrachtgolven. Hij is via het Nikhef, het Nederlands instituut voor natuurkunde, verbonden aan het LIGO-Virgo consortium. Een beetje extra Nobelprijs aan de RUG dus.
Met Van den Broeck heeft de RUG een grote naam binnengehaald, maar hij is een bescheiden man. ‘Het Van Swinderen Instituut is een groep mensen die ontzettend interessante dingen doet, waar ik ongetwijfeld veel van zal leren. Ik vind het ontzettend leuk om erbij te horen’, vertelt hij terwijl hij een slok neemt van zijn biertje. Een Palm – de astrofysicus is een geboren Vlaming. In Groningen zal hij vooral colleges geven over zwaartekrachtgolven en promovendi begeleiden.
Lachspiegel
Waar komen die illustere zwaartekrachtgolven nou vandaan? Van den Broeck geeft college. ‘Een stuk puin dat stil in de ruimte hangt heeft natuurlijk wel zwaartekracht, maar het zendt geen zwaartekrachtgolven uit. Pas als een object versnelt ontstaan ze’, legt hij uit. De golven reizen door het heelal en vervormen de ruimte waar ze doorheen lopen. Ze duwen het een klein beetje in, en rekken het vervolgens een beetje uit. Gaat een golf door je heen, dan ben je op sommige plekken eventjes breder en op andere smaller: een lachspiegeleffect.
Zichtbaar is dat natuurlijk niet. Daarvoor zijn de zwaartekrachtgolven veel te zwak. ‘Het lijkt gek, omdat zwaartekracht ons hier aan de aarde geplakt houdt. Maar zwaartekracht is de zwakste van de vier bekende krachten. Leg maar eens wat ijzervijlsel op tafel. Dat kun je gemakkelijk optillen met een magneet, terwijl aan de andere kant de hele massa van de aarde eraan trekt.’
Waarschijnlijk worden we continu vervormd door zwaartekrachtgolven, maar de meeste zijn zo zwak dat we ze (nog) niet kunnen meten. De tot nu toe gemeten golven zijn dan ook het gevolg van krachtige botsingen tussen onvoorstelbaar grote massa’s in het heelal, zoals zwarte gaten en neutronensterren (ingestorte sterren met een gigantische dichtheid).
Brandoefening
Van den Broeck spreekt met zachte stem, maar het enthousiasme over zijn vakgebied is overduidelijk. ‘De Nobelprijs was een feestje, maar niet zo groot als de ontdekking zelf. Dat was geweldig.’ Op maandag 14 september 2015, net voor de middag, kwam er een signaal binnen. ‘Eerst geloofden we het eigenlijk niet. De metingen leken te veel op de simulaties, het was té perfect.’ Tijdens zo’n simulatie wordt er door trillingen in de detector een nepsignaal opgewekt. ‘Slechts een paar mensen in het consortium weten dat het een simulatie is. De rest moet er zelf achter zien te komen.’ Een soort brandoefening dus.
‘Die dag was er eerst ook twijfel, zou het weer zo’n simulatie zijn?’ Maar nog diezelfde avond, tegen zessen, was Van den Broeck overtuigd. Tien jaar lang was zijn vakgebied puur theoretisch geweest. Het bestond slechts op papier, in zijn hoofd en in simulaties. ’En ineens is het alsof de natuur tegen je praat. Kippenvel.’
Scepsis
De mannen die dit jaar de Nobelprijs mee naar huis namen, begonnen al in de jaren zestig aan de voorbereidingen die uiteindelijk deze doorbraak mogelijk maakten. ‘Het is voor hen een ontzettend lange weg geweest’, weet Van den Broeck. Decennia werkten ze aan een vakgebied dat ‘eigenlijk niet bestond’. ‘Veel mensen geloofden helemaal niet dat het mogelijk was om de golven te meten. Ze vroegen zich af of al die miljarden niet beter in iets met meer kans van slagen gestopt konden worden.’ Maar de pioniers hielden vol en wisten de sceptici te overtuigen. Zonder hun inspanningen zou de peperdure meetapparatuur die nodig is voor dit onderzoek nooit zijn gebouwd. Momenteel zijn er drie detectoren in de wereld die zwaartekrachtgolven kunnen meten. Twee staan er in de VS (de LIGO’s) en één in Italië (de Virgo).
De meting van de eerste zwaartekrachtgolf en de mediastorm die er op volgde waren een flinke boost voor het onderzoeksgebied. Van den Broeck werd zelfs eventjes een bekende Nederlander. ‘Ik kwam op straat een man tegen die zijn hond aan het uitlaten was. Ik kende hem niet, maar hij herkende mij. Hij wilde me iets vragen over de zwarte gaten.’ Ook onder studenten neemt de populariteit toe. ‘Het aantal studenten bij mijn cursus in Amsterdam is verdubbeld. Oké, van tien naar twintig, dat wel’, grinnikt hij.
Grote gevolgen
Voor de wetenschap zelf hebben zwaartekrachtgolven al grote gevolgen gehad. Vooral de laatste en tot nu toe sterkste waarneming, op 17 augustus deze zomer, leverde een schat aan informatie op. Een kleine greep: al tientallen jaren namen astronomen flitsen van gammastraling weer, een soort supersterke lichtstralen. Ze moesten van buiten de Melkweg komen. Maar hoe ze ontstonden? Niemand die het zeker wist. Op 17 augustus, 1,7 seconden nadat de zwaartekrachtgolf gemeten was, maten satellieten zo’n gammaflits. Maar dat was niet alles. Nog eens twaalf uur later zagen astronomen een lichtflits in hun telescopen. Uit de lichtfrequenties konden ze afleiden dat het ging om een botsing van twee neutronensterren.
Niet alleen kon men zo de oorsprong van de gammastraling achterhalen, ook weten natuurkundigen nu dat zwaartekrachtgolven ongeveer met de snelheid van het licht reizen. ‘Daarnaast hebben we nu een nieuwe manier om afstanden in het heelal te meten: je kan namelijk rechtstreeks uit een zwaartekrachtsignaal aflezen van hoe ver het signaal komt.’
Heilige graal
Zelf hoopt Van den Broeck met de meting en analyse van zwaartekrachtgoven meer te weten te komen over de raadselachtige binnenkant van neutronensterren. ‘Daar weten we maar weinig over. Hele eenvoudige vragen hebben geen antwoorden. Of nog veel erger, ze hebben wel twintig verschillende antwoorden.’
Maar het onderzoek naar zwaartekrachtgolven kent volgens Van den Broeck één heilige graal: ‘De golven waarnemen die zijn ontstaan bij de oerknal.’ De golven die toen ontstonden zijn door de uitdijing van het heelal enorm uitgerekt. Om zo’n lange golflengte te meten, heb je astronomisch grote meetapparatuur nodig. Letterlijk. Een voorstel van het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA), om een enorme detector in de ruimte te bouwen, is al goedgekeurd. Zij willen drie satellieten in een baan om de zon brengen. Door ze met lasers aan elkaar te verbinden ontstaat een extreem grote versie van de meetapparatuur op aarde, met armen van één miljoen kilometer lang.
Als bijzonder hoogleraar zal Van den Broeck zich onder andere bezig houden met de zogenaamde Einstein-telescoop. Een tien kilometer lange, ondergrondse detector die mogelijk in Limburg gebouwd zal worden. ‘Onder de grond heb je geen last van trillingen en ruis van buitenaf’, vertelt Van den Broeck. Zo kunnen in de toekomst wel 100.000 golven per jaar worden gemeten. En de RUG zal erbij zijn.
Hoe meet je een zwaartekrachtgolf?
In de natuurkunde lijkt te gelden: ‘hoe kleiner het fenomeen, hoe groter het apparaat’. De Europese installatie, Virgo geheten, heeft twee armen van drie kilometer lang. Die armen zijn in een L-vorm opgesteld.
Door iedere arm van Virgo loopt een laserstraal. De twee ontmoeten elkaar in de kruising van de L. Ze zijn zo afgesteld dat de lichtgolven van de twee lasers elkaar als het ware ‘opheffen’, een fenomeen dat in de natuurkunde interferentie wordt genoemd. Normaal gesproken zie je dus geen laserlicht in de detector.
Als een zwaartekrachtgolf door een object loopt, wordt het eventjes ingedrukt en weer uit elkaar getrokken. Komt zo’n golf door de VIRGO, dan is één van de armen eventjes iets korter of langer dan de andere. Hierdoor lopen de twee lasers even uit de pas en heffen elkaar niet langer op. Het resultaat: een korte laserflits op de detector. Het verschil in lengte dat je zo kunt meten is 100.000 keer kleiner dan een proton, een onderdeel van een atoom.
