Speurtocht naar Einsteingolven

Beeld: Twee neutronensterren botsen en vloeien samen. Dat veroorzaakt gammastralen en zwaartekrachtgolven, die deiningen creëren in de ruimtetijd. Credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

Op 1 april 2019, om 16 uur ’s namiddags Europese tijd, ging een nieuwe fase in de speurtocht naar zwaartekrachtgolven van start. Na een intensieve upgrade die anderhalf jaar in beslag nam, begonnen twee grote detectoren in de Verenigde Staten en één in Italië aan hun derde waarnemingscampagne. ‘Observing run 3’ meet minieme rimpelingen in de ruimtetijd, veroorzaakt door extreme verschijnselen, zoals botsende zwarte gaten.

Gedurende bijna een jaar registreerden de twee LIGO-detectoren in de Verenigde Staten (LIGO staat voor Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory) en de Virgo-detector in Italië gemiddeld elke één à twee weken een catastrofale zwartegatenbotsing. De eerste detectie vond al plaats op 8 april. Wat een paar jaar geleden nog voorpaginanieuws was, is inmiddels de gewoonste zaak van de wereld geworden.

Het bestaan van zwaartekrachtgolven werd ruim honderd jaar geleden al voorspeld door Albert Einstein. Zijn algemene relativiteitstheorie beschrijft ruimte en tijd als één samenhangend vierdimensionaal geheel. Dat geheel kan uitdijen, buigen, vervormen en trillen. Omdat de ruimtetijd extreem stijf is, is daar wel onwaarschijnlijk veel energie voor nodig.

Pas in 2015 lukte het voor het eerst om ‘Einsteingolven’ daadwerkelijk te meten. Zo brak een nieuw tijdperk aan voor de astronomie. De toekomstige Einstein Telescope moet daar uiteindelijk een hoofdrol in gaan vervullen. ‘In Nederland en België is iedereen heel enthousiast over dit nieuwe project’, zegt Frank Linde, programmaleider van het zwaartekrachtgolfonderzoek in Nederland.

Lasers en spiegels

Zwaartekrachtgolven kun je vergelijken met de rimpelingen in het oppervlak van een strak gespannen trampoline waarop kinderen aan het rondspringen zijn. De golven ontstaan uitsluitend wanneer zware massa’s enorme versnellingen ondergaan. Dat gebeurt bijvoorbeeld doordat ze om elkaar heen draaien of met elkaar in botsing komen.

De Einsteingolven worden in alle richtingen in het heelal uitgezonden, al neemt hun energie natuurlijk af met de afstand. Eenmaal op aarde aangekomen veroorzaken ze kleine, periodieke vervormingen van de ruimte. Loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf zal de afstand tussen twee ijkpunten afwisselend toe- en afnemen. Bij de detecties die tot nu toe zijn gedaan, gebeurde dat honderden keren per seconde.

De LIGO- en Virgo-detectoren werken volgens hetzelfde principe. Krachtige laserstralen kaatsen heen en weer tussen perfect gepolijste spiegels. Die spiegels bevinden zich aan de uiteinden van 2 kilometer lange vacuümtunnels, die loodrecht op elkaar staan. Door de reistijd van het laserlicht heel nauwkeurig te meten, komen wetenschappers onwaarschijnlijk kleine, periodieke lengtevariaties op het spoor. Om je een beeld te geven: de variaties zijn kleiner dan de diameter van een atoomkern.

Na de eerste succesvolle detectie op 14 september 2015 ontvingen de drie grondleggers van LIGO – Rainer Weiss, Kip Thorne en Barry Barish – eind 2017 de Nobelprijs Natuurkunde voor hun doorbraak. Najaar 2017 waren er door LIGO en Virgo tien soortgelijke detecties verricht. In al die gevallen ging het om twee zwarte gaten, vaak enkele tientallen keren zo zwaar als de zon.

In hoog tempo wentelen de zwarte gaten om elkaar heen, vlak voordat ze uiteindelijk met elkaar botsen en versmelten. Alleen tijdens de laatste fractie van een seconde van dat hele proces ontstaan Einsteingolven die krachtig genoeg zijn om honderden miljoenen lichtjaren verderop nog meetbaar te zijn.

Quantumtruc

Een elfde detectie, op 17 augustus 2017, had een heel ander karakter. Hier ging het om twee botsende neutronensterren: extreem kleine, compacte sterren. Ze zijn zwaarder dan de zon, maar hebben een diameter die niet veel groter is dan twintig kilometer. Van die neutronensterbotsing namen onderzoekers ook gammastraling, röntgenstraling, zichtbaar licht en infraroodstraling waar. Bij een botsing van zwarte gaten is dat onmogelijk. Die zenden geen licht of andere elektromagnetische straling uit.

Astronomen en natuurkundigen hopen de komende jaren vooral veel meer van die neutronensterbotsingen waar te nemen. De eerste detectie in 2017 betekende meteen al een doorbraak, aldus de Vlaamse theoreticus Chris Van Den Broeck. Hij is verbonden aan het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef in Amsterdam en aan de Universiteit van Utrecht.

‘Doordat er vrijwel tegelijkertijd gammastraling werd gemeten, weten we nu dat zwaartekrachtgolven zich met de lichtsnelheid voortplanten’, zegt Van Den Broeck. ‘Daarmee is een aantal alternatieve zwaartekrachttheorieën direct weerlegd.’

Neutronensterbotsingen bieden voorts meer inzicht in de herkomst van zeldzame elementen in het heelal, zoals goud en uranium. Die elementen ontstaan vrijwel uitsluitend bij dit soort energierijke verschijnselen. ‘En de metingen geven ons ook een beter beeld van de inwendige structuur van neutronensterren’, aldus Van Den Broeck.

Niemand weet precies hoe materie zich gedraagt onder de extreme omstandigheden in het binnenste van een neutronenster, en waarnemingen als deze kunnen dat raadsel hopelijk oplossen. Tot slot: als er veel meer neutronensterbotsingen worden ‘gevoeld’, op verschillende kosmologische afstanden, levert dat ook informatie op over de uitdijings-geschiedenis van het heelal. In de hedendaagse sterrenkunde is dat een heikel vraagstuk.

De hoop – en de verwachting – is dan ook dat het onderzoek naar zwaartekrachtgolven de komende jaren in een gigantische stroomversnelling terechtkomt. Najaar 2017 werden LIGO en Virgo ‘uitgezet’, en gedurende anderhalf jaar hebben er ingrijpende upgrades plaatsgevonden, waardoor de gevoeligheid van de detectoren met minstens 50 procent is verhoogd.

‘In Italië hebben we onder andere de trillingsvrije ophanging van de spiegels verbeterd en het laservermogen verhoogd,’ zegt voormalig Virgo-woordvoerder Jo van den Brand. ‘En zowel bij LIGO als bij Virgo werken we tegenwoordig met ‘squeezed light’. Met die quantumfysische ‘truc’ kunnen we de meetnauwkeurigheid verder opvoeren. We hebben de lat fors hoger gelegd.’

‘Ook met de Japanse KAGRA-detector hebben onderzoekers de laatste tijd ongelooflijk veel vooruitgang geboekt,’ zegt Van den Brand. ‘Hoe meer detectoren er in bedrijf zijn, hoe beter het lukt om de hemelpositie van een bron van zwaartekrachtgolven te achterhalen.’

Ook in India zijn voorbereidingen getroffen voor de bouw van een LIGO-achtige detector, die in 2025 operationeel moet zijn. En tegen die tijd hebben LIGO en Virgo opnieuw een ingrijpende upgrade achter de rug.

Ingenieurs installeren hardware ter voorbereiding van een nieuwe observatieronde aan een LIGO-detector.

Internationaal zootje

Een bijzondere nieuwigheid van de derde observing run, die liep tot maart 2020, was dat de LIGO- en Virgo-resultaten direct en automatisch met de hele wereldwijde astronomische gemeenschap werden gedeeld. Dat maakt het mogelijk om binnen een paar minuten na een detectie een telescoop op aarde of in de ruimte op de betreffende plaats aan de hemel te richten.

Vooral bij neutronensterbotsingen is die ‘elektromagnetische follow-up’ essentieel. ‘Sociologisch gezien was dat wel een behoorlijke drempel voor mensen zoals ik’, zegt Van den Brand, die net als veel van zijn Virgo-collega’s afkomstig is uit de wereld van de deeltjesfysica. ‘Wij zijn dat niet gewend. Je data direct delen met anderen – dat dóé je gewoon niet.’ In de sterrenkunde begint die aanpak steeds meer gemeengoed te worden, vooral bij grote, omvangrijke waarnemingsprogramma’s.

Astrofysicus Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit in Nijmegen ziet nog wel een ander potentieel sociologisch struikelblok. ‘Het artikel over de neutronensterbotsing in 2017 had zo’n 3.600 auteurs’, zegt hij. ‘Het is eigenlijk een samengeraapt internationaal zootje zonder duidelijke hiërarchische structuur, waarin iedereen zijn zegje wil doen en ook veel wordt geruzied. Het is eigenlijk een godswonder dat het in een eerder stadium niet al uit elkaar is geknald. Nog steeds gaat het niet vlekkeloos allemaal, maar ik ben nu wel positief gestemd.’

Nelemans wijst ook op de enorme hoeveelheid werk die de analyse van zoveel nieuwe detecties – misschien wel één per week – met zich meebrengt. ‘Mijn grootste punt van zorg is dat de jonge mensen in die grote samenwerkingsverbanden onvoldoende credit zouden krijgen voor hun werk.’

Het onderzoek naar zwaartekrachtgolven mag de eerste kinderziektes zijn ontgroeid, het staat nog wel voor kolossale uitdagingen. En onzekerheden. Want niemand weet hoe vaak neutronensterbotsingen optreden, en naar de frequentie van andersoortige bronnen kunnen wetenschappers alleen maar gissen.

Zo is een botsing van een neutronenster met een zwart gat volgens Nelemans ‘potentieel superinteressant. Je kan dan licht en andere vormen van elektromagnetische straling zien, en je kan zelfs Einstein op de proef stellen.’ Van Den Broeck beaamt dat. ‘We willen de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie testen onder de meest extreme omstandigheden’, zegt hij. ‘Dat kan alleen als er ook zwarte gaten in het spel zijn.’

Met de bouw van de Einstein Telescope is ruim een miljard euro gemoeid. Credit: Einstein Telescope

Dingen om de detector

Inmiddels bereiden Europese onderzoekers zich voor op de grote opvolger van Virgo: de Einstein Telescope (ET). Die krijgt drie armen van 10 kilometer lang, met op elk hoekpunt van de driehoek twee laserinstallaties. De ene installatie meet zwaartekrachtgolven met relatief hoge frequenties, de andere meet golven met lagere frequenties. Om trillingen uit de omgeving zoveel mogelijk te elimineren, wordt de apparatuur in lange ondergrondse tunnels geplaatst. Net als in het geval van de Japanse KAGRA-detector.

Met de bouw van de Einstein Telescope is naar schatting ruim één miljard euro gemoeid. ‘Minstens 85 procent daarvan gaat op aan de bouw van de tunnels en van het gigantische vacuümsysteem,’ zegt Frank Linde van Nikhef, die lid is van het ET-steering team.

Over de locatie van de Einstein Telescope is nog geen besluit gevallen. Die beslissing wordt niet eerder verwacht dan in 2024 of 2025. Het drielandenpunt van Nederland, België en Duitsland is alvast een goede kanshebber, net als het Italiaanse eiland Sardinië.

Seismische tests op een diepte van 250 meter in het grensgebied van Nederland en België hebben uitgewezen dat de ondergrond voldoende stabiel en trillingsvrij is. Dat komt deels door de dikke deklaag van löss, een leemafzetting. ‘Maar uiteindelijk zal de beslissing vooral op basis van politieke argumenten worden genomen’, verwacht Linde. ‘Het is een mooi cadeau als je de Einstein Telescope mag bouwen, maar het vergt natuurlijk ook grote investeringen.’

Grafiek met onder meer de massa’s van botsingen met binaire zwarte gaten, gedetecteerd aan LIGO en Virgo (blauw). Idem voor neutronensterren (geel).

Een aantal Nederlandse en Belgische universiteiten richtte in 2018 een nieuwe vakgroep zwaartekrachtstudies op. Naast de constructie van de Einstein Telescope zullen de Belgische universiteiten zich ook gaan toeleggen op het analyseren en interpreteren van de data van de Einstein Telescope. ‘Denk hierbij aan het vinden van nieuwe bronnen van Einsteingolven zoals supernovae, het nauwkeurig in kaart brengen van de structuur van het universum of het observeren van de achtergrondruis’, zegt theoretisch fysicus Tjonnie Li (KU Leuven). ‘Hiervoor zullen doorbraken nodig zijn op het gebied van grootschalige simulaties van complexe astrofysische systemen en van analysemethodes voor het verwerken van de stortvloed aan data. Ook is meer inzicht in het ontstaan van het universum nodig.’

Waar de nieuwe reuzendetector ook zal worden gebouwd, het zal in elk geval een hele klus worden om het project van de grond te tillen. Europa is nu eenmaal een enorme lappendeken aan overheden en financieringsorganisaties. De Einstein Telescope staat intussen op de ESFRI-lijst (European Strategy Forum on Research Infrastructures), die de prioritair te realiseren projecten bevat. De eerste waarnemingen zouden midden jaren 2030 kunnen plaatsvinden.

IJkpunt in de astronomie

Zowel in de Nederlandse provincie Limburg als in Leuven wordt gewerkt aan de ETpathfinder. Dat is een onderzoeksfaciliteit met een armlengte van tien tot vijftien meter in een grote clean room. Voor de bouw daarvan harkten de initiatiefnemers in totaal 14,5 miljoen euro subsidie bijeen, aldus Linde.

De ETpathfinder zal lange tijd dienst doen als een experimentele speeltuin. ‘We hopen onder andere ervaring op te doen met diepgekoelde spiegels van kristallijn silicium, zoals die ook in de Einstein Telescope zullen komen’, zegt Linde. Bij een temperatuur van 10 kelvin, tien graden boven het absolute nulpunt, reageert silicium op geen enkele manier op kleine temperatuurvariaties. Ideaal voor de hoogst denkbare meetnauwkeurigheid.

Natuurlijk werken experts in de Verenigde Staten ook aan ontwerpstudies voor een grote next generation-detector, de Cosmic Explorer. Ook daarvan is de financiering nog lang niet rond, aldus voormalig Virgo-woordvoerder Van den Brand. ‘LIGO-directeur David Reitze, woordvoerder David Shoemaker en ik zouden het liefst zien dat er straks sprake is van één groot internationaal samenwerkingsverband’, zegt hij, ‘maar op officieel niveau is dat nog geen gespreksonderwerp.’

Eén ding is zeker: het onderzoek naar Einsteingolven kunnen we nooit meer wegdenken uit de astronomie. Van den Brand: ‘Straks kunnen we de bronnen van zwaartekrachtgolven overal in het heelal detecteren, tot op afstanden van vele miljarden lichtjaren. Er is echt van alles in beweging gezet. Dit wordt een waarnemingstool voor het hele universum.’