Vorige week werd bekend dat voor het eerst op aarde zwaartekrachtsgolven zijn waargenomen. Natuurkundige Jo van den Brand, nauw betrokken bij de totstandkoming van deze meting, vertelt ThePostOnline in dit interview wat meer over zijn werk.
Een eerste, van harte gefeliciteerd! Dit is natuurlijk een monumentaal moment in de geschiedenis van de natuur- en sterrenkunde. Sommige mensen vergelijken de waarneming zelfs met het moment dat Galileo Galilei voor het eerst door een telescoop keek. Hoe kijkt u daar tegenaan?
“Wetenschappelijke ontdekkingen met elkaar te vergelijken is natuurljk lastig, maar dit is absoluut een heel bijzonder moment. We weten al honderd jaar, sinds Albert Einstein, dat er zoiets bestaat als zwaartekrachtsgolven, trillingen in ruimtetijd. Maar we hebben ze nu voor het eerst met onze eigen ogen gezien. Dit is de start van een compleet nieuw vakgebied: gravitatie-golvenastronomie.
“We openen hiermee een veel groter venster op het heelal. We werken al millennia met zichtbaar licht. In de twintigste eeuw kwamen daar instrumenten bij die ultraviolette, infrarode, röntgen- en gammastralen konden zien. Maar dat blijven allemaal vormen van elektromagnetische straling. Daarmee kun je alleen klassieke materie bestuderen. Met dit nieuwe instrument kunnen we structuren bestuderen, waar geen enkele atoom in zit: een zwart gat bestaat immers uit niets dan vacuüm.
“We kunnen natuurlijk niet alles zien. Wat er achter de gebeurtenis-horizon van zwarte gaten gebeurt, is afgesloten voor het universum. Wat je wel kunt doen, is kijken hoe twee zwarte gaten tegen elkaar aan knallen. Dat hebben we gedaan”.
Zo’n zwaartekrachts- of gravitatiegolf verandert niet alleen de ruimte. Hij versnelt en vertraagt de tijd ook. Ik moest even aan dat idee wennen.
“Zo gek is dat niet. Als jij GPS gebruikt op je mobieltje om je auto te vinden, maak je gebruik van satellieten. De atoomklok in zo’n satelliet is verder van het zwaartekrachtveld van de aarde, en tikt dus sneller. Daar worden continu correcties op gemaakt, met formules uit Einsteins algemene relativiteit. Zonder die correcties zou je GPS er aan het einde van de dag tientallen kilometers naast zitten.”
Algemene relativiteit als alledaagse realiteit… Over plaatsbepaling gesproken, kunt u me iets meer vertellen over de precieze rol van het Nikhef in het samenwerkingsverband tussen de Amerikaanse LIGO-voelsprieten en de Europese Virgo?
“Jawel. De historische meting is gedaan met de LIGO-interferometers in Washington en Louisiana. Maar LIGO werkt al jaren intensief samen met de Virgo-interferometer in het Italiaanse Pisa. Sinds 2009 wordt die laatste detector feitelijk door drie partijen gerund: CNRS in Frankrijk, INFN in Italië en Nikhef in Nederland.
“Ons aandeel in de LIGO/Virgo onderneming is meerzijdig. Allereerst heeft één persoon uit mijn groep, Chris Van Den Broek, op dit moment de leiding over het complete data-analyseproces van zowel LIGO als Virgo, samen met een Amerikaanse collega. De promovendi in mijn onderzoeksgroep analyseren data die binnenkomt. In de jaren dat LIGO vernieuwd werd, en alleen wij nog draaiden, heeft het Amerikaanse team wetenschappelijke artikelen gepubliceerd, gebaseerd op onze data-stroom. LIGO/Virgo is dus een nauwe internationale samenwerking. We gebruiken allebei exact hetzelfde data-format. Er bestaan geen aparte LIGO of Virgo datastromen, het proces is volledig geïntegreerd. We stemmen onze meetperiodes op elkaar af en publiceren alles samen”.
Wat is uw rol in dit wetenschappelijke monsterproject?
“Ik zit zelf in het detectie-comité, het hoogste orgaan binnen onze collaboratie. Wij gaan over de validiteit van een detectie. Onze inmiddels beroemde eerste meting is natuurlijk niet van gisteren. Die werd al op 14 september van het vorige jaar gedaan. Daarna kwamen wij in actie. Omdat het de eerste meting ooit zou zijn, hebben we alles zo rigoureus mogelijk gecontroleerd. Is het niet toevallig ruis? Is er geen aardbeving geweest? Klopt het fysisch allemaal wel? Daar zijn we maanden zoet mee geweest. Alle mogelijke andere oorzaken uitsluiten. We wilden 100 procent zeker weten dat we een zwaartekrachtsgolf gedetecteerd hadden, en niets anders.
“Maar, om eerlijk te zijn, als ik de data goed en wel bekijk en met onze simulaties vergelijk, vraag ik me eigenlijk af: waarom hebben we al die moeite gedaan? Het signaal is zo ongelooflijk knetter-helder en herkenbaar! (lacht) Het is vierentwintig keer sterker dan de ruis. En het heeft een hele karakteristieke vorm, die we herkennen uit onze simulaties. Het klopt met wat we verwachtten te zien, uit numerieke relativiteitstheorie- berekeningen”.
Daarover gesproken: hoeveel rekentijd heeft het jullie eigenlijk gekost om alle mogelijke botsingen tussen zwarte gaten van de massa’s waar het om gaat door te rekenen, op de supercomputers die jullie ter beschikking staan?
“Veel. We hebben op dit moment meer dan vijftig miljoen CPU-uren gebruikt”.
Vijftig miljoen? Hemeltjelief. Wat ik zo bizar vind: in 1915 heeft ene Albert Einstein een paar vergelijkingen opgeschreven. Die blijken niet alleen voor gewone ruimtetijd te werken, al meer dan honderd jaar, maar dus ook voor de bizar vervormde ruimtetijd rond botsende zwarte gaten. Anders hadden jullie die numerieke simulaties nooit kunnen doen.
“Daar heb je een ongelofelijk goed punt. Einstein zat, met alleen zijn pen en papier, gedachte-experimenten te doen. Enorm diep na te denken over wat ruimte en tijd is, wat zwaartekracht is. Uiteindelijk, en dat heeft hem heel wat jaren gekost, heeft hij alles wat hij wist in 1915 in een paar formules weten te vangen. En nu, in de eenentwintigste eeuw, zien we dat die formules nog veel meer bevatten dan alleen zijn genie. Zijn formules zijn nog rijker dan wat Einstein zelf heeft kunnen voorzien. Er rollen dingen uit als: het universum is niet statisch. Einstein zelf dacht in de eerste instantie van wel. Maar nee, het heelal dijt uit. Gekke dingen als zwarte gaten, gemaakt van alleen maar ruimtetijd, rollen eruit. Trillingen in ruimtetijd. De theorie blijkt veel rijker, dan het genie zelf ooit heeft kunnen overzien”.
Over genieën gesproken: klopt het dat Sovjetwetenschappers al in 1962 een voorstel gedaan hebben voor een interferometer zoals LIGO?
“Dat klopt. Het probleem in die tijd was, dat lasers nog niet betrouwbaar genoeg waren om interferometers zoals we nu hebben te realiseren. Wat dat betreft is de natuur onverbiddelijk. Wij hebben heel 2010 en 2011 met Virgo en LIGO de hemel afgetuurd en niets gezien. Pas nu de gevoeligheid van LIGO drie keer beter is, zien we iets. Dat komt doordat je met een drie keer betere gevoeligheid drie keer dieper het universum in kunt kijken. Het volume dat je dan bestrijkt is drie keer zo groot in drie dimensies, dus zevenentwintig keer zo groot. Dat hakt er natuurlijk meteen erg hard in”.
Ja! Wat is op dit moment het meest fijne aan dit nieuwe instrument, behalve dat het werkt?
“Dat we de beste theorie van gravitatie die we hebben, Einsteins algemene relativiteit, kunnen testen in de meest extreme omgeving ooit. De zwaartekracht bij dit soort botsingen is letterlijk een miljoen keer sterker dan op alle andere plekken waar we die ooit getest hebben. De zwarte gaten waarom het ging hadden een diameter van ongeveer honderd kilometer, 7.000 keer zo compact als de zon. Ze draaiden om elkaar heen met ongeveer zestig procent van de lichtsnelheid en knalden op elkaar met ongeveer dertig zonsmassa’s per gat. Dat maakte de botsing zo ongelooflijk krachtig, dat het vermogen dat vrijkwam in gravitatiestraling groter was, dan we ooit hebben waargenomen met al onze telescopen bij elkaar.
“Op het moment van de botsing zelf, werden er 200 zonsmassa’s per seconde aan energie omgezet. Een paar microseconden lang ontstond er meer energie, dan in de hele kosmos bij elkaar gestraald wordt. Spectaculair natuurlijk. Maar als je onze conventionele telescopen erop gericht had, had je niets gezien. Want er zijn geen atomen bij betrokken. Dus er worden geen elektromagnetische trillingen uitgezonden”.
Oef. Ik moet die 200 zonnen per seconde nog even verwerken geloof ik. Hoe vaak komt het eigenlijk voor in het heelal, dat twee zwarte gaten van ongeveer dertig zonsmassa’s versmelten? Is het dom geluk dat we dit nu gezien hebben, of dito waarschijnlijkheid?
“Deze vraag hebben we natuurlijk aan onze sterrenkundige vrienden gesteld, voordat we met meten begonnen. Want dit soort informatie heb je nodig om je detector te ontwerpen. De massa van zwarte gaten bepaalt hoe ze versmelten. Hoe lager de massa, hoe vaker het gebeurt. Als je het over zwarte gaten van dertig zonnemassa’s elk hebt, die zijn afkomstig van sterren die misschien wel 100 of meer zonsmassa’s geweest moeten zijn.
“In ons Melkwegstelsel kennen we enkel zwarte gaten tot veertien zonsmassa’s. Daarom hadden we verwacht zwarte gaten met een lagere massa te detecteren. Dus deze eerste meting heeft ons meteen allerlei nieuwe dingen geleerd. Toch geloof ik zelf niet zo in dom geluk. Als natuurkundige zeg ik: als het één keer gebeurt, gebeurt het vaker”.
Natuurkundigen houden niet van toeval. Dat brengt me op jullie detectoren. Ik ga de lezer van dit interview niet vermoeien met details van de LIGO en Virgo-opzet. Daar zijn al filmpjes genoeg van op het web en daarnaast: interferometers bestaan al sinds 1887. Wat het natuurlijk oneindig gecompliceerd en high-tech maakt, zijn de details. Je wilt immers een duizendste atoomkern verschil kunnen zien. Hoe doe je dat? Hoe trek je twee kilometerslange buizen vacuüm en zorg je voor onafhankelijke suspensie, zonder dat de boel ook maar een zeptometer verschuift? En hoe hou je ondertussen de temperatuur constant? Hoelang heeft het geduurd voordat alles ingeregeld was, bij Virgo en LIGO?
“We hebben rond 2003 onze eerste generatie LIGO- en Virgo-detectoren in bedrijf genomen. Die hadden overigens een veel lagere gevoeligheid dan wat we nu hebben. Het totale proces, van de eerste spade in de grond in 1996, de installatie van de apparatuur in 2003, totdat we in 2007het apparaat uiteindelijk zo in elkaar hadden dat het werkte, heeft elf jaar geduurd. En pas in 2010 had de apparatuur de gevoeligheid die hij vanuit de theorie gezien zou moeten hebben. Dat zijn veertien lange jaren van zoeken, leren, enzovoorts.
“In 2010 is LIGO gestopt voor een technische upgrade. Wij hebben toen nog twee jaar doorgewerkt. Want je kunt niet alle detectoren tegelijkertijd stilzetten. Stel je voor dat er ergens een ster ontploft, dan mis je die zwaartekrachtsgolven. Het heeft het LIGO-team een vol jaar gekost, na assemblage, om met de nieuwe gevoeligheid weer op gang te komen. In 2011 zijn wij begonnen met een ombouw-proces van vijf jaar, om onze apparatuur te verbeteren. Omdat wij daar twee jaar later mee begonnen zijn, zijn wij van de zomer klaar”.
Ik las ergens dat de armen van de LIGO-detector niet langer zijn dan vier kilometer, omdat je anders problemen krijgt met de kromming van de aarde. Gaan jullie daarom met de nieuwe interferometer, de zogenaamde Einstein Telescope, met geplande armen van tien kilometer, ondergronds?
“Ja. De aarde is natuurlijk een bol, maar licht- en zwaartekrachtsgolven gaat rechtdoor. Dus als je een driehoek met drie kaarsrechte armen van tien kilometer lang wilt, zul je een boor moeten pakken om recht door de aarde te boren. Maar de belangrijkste reden is, dat seismische trillingen minder groot zijn ondergronds”.
Als Virgo het straks weer doet, en zeker als de Japanse detector erbij komt, kun je vrij exact de bron van je gravitatiegolven bepalen, door een soort driehoeksmeting, klopt dat?
“Ja dat is correct. Als we drie detectoren hebben, kunnen we met een factor dertig preciezer aangeven, waar aan de hemel de kosmische gebeurtenis heeft plaatsgevonden, waarvan we de zwaartekrachtsgolven meten”.
Intussen staat ook eLISA, de grootste door de mens gemaakte structuur ooit, in de planning, een gigantische laser-interferometer in de ruimte. Drie satellieten, die ergens in 2035 in een baan om de zon gebracht worden, zeg ik dat goed?
“Dat is het plan ja. Die satellieten komen in één van de Langrange-punten van de aarde in haar baan rond de zon te hangen. Daardoor blijven op dezelfde plek ten opzichte van de aarde en de zon. Zo ontstaat er in de ruimte een interferometer met armen van meer dan een miljoen kilometer lang. Met zulke enorm lange armen kun je zwaartekrachtsgolven van een veel grotere golflengte waarnemen, dan op aarde. Dat betekent dat je grotere bronnen kunt waarnemen.
“Met de eLISA configuratie hopen we zwaartekrachtsgolven van superzware zwarte gaten midden in sterrenstelsels te kunnen zien. Of het samensmelten en botsen van superzware zwarte gaten. Want vergeet niet: sterrenstelsels botsen ook. We hebben zoveel vragen. Hoe zijn super-massieve zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s gevormd? Bouwen ze langzaam op tot die massa? Of zijn ze in één klap gevormd, in het vroege heelal? Dat weten we nu niet. Daar hopen we straks met eLISA meer over te kunnen leren”.
Als ik het goed heb, geeft donkere materie ook zwaartekrachtsgolven af. Is gravitatie-golvenastronomie een methode om meer te leren over donkere materie, dat rare spul dat een kwart van het universum beslaat en waar we eigenlijk bijna niets van weten?
“Alles wat energie en massa heeft, alles wat versnelt, geeft zwaartekrachtsgolven af. Dus ook donkere materie en zelfs antimaterie. Maar onze detectoren zien eigenlijk alleen zwarte gaten en neutronen-sterren. Omdat een zwart gat niet uit deeltjes bestaat, kun je niet achterhalen waar het uit ontstaan is. Het kan uit gewone materie ontstaan zijn, maar het kan ook uit donkere materie ontstaan zijn, die in een vroegere fase van het heelal ineengestort is. Of misschien was het wel antimaterie. Dat kun je onmogelijk achterhalen. Ook niet als je kijkt naar de zwaartekrachtsgolven. Dat ligt allemaal verborgen achter de gebeurtenis-horizon”.
Dus zwaartekrachtsgolven zijn geen silver bullet om meer te weten te komen over donkere materie.
“Nee, helaas. Maar die onderaardse Einstein Telescope, waar we het al eerder over hadden, daarmee kunnen we verder terug in de tijd kijken dan ooit. Wij natuurkundigen zeggen dat we ermee kunnen kijken tot een roodverschuiving van z=17. Dat betekent dat het instrument een gevoeligheid heeft om zwaartekrachtsgolven te meten, tot in het moment dat het heelal 17 keer kleiner was dan nu. Wat wij de cosmological dark ages noemen, 300.000 tot een paar honderd miljoen jaar na de oerknal. Pas 300.000 jaar na de oerknal werd het heelal doorzichtig. Nog eens een paar honderd miljoen jaar later werden de eerste sterren gevormd. De dichtheid in het heelal was enorm, in die periode.
“Niemand weet op dit moment wat daar precies gaande geweest is. Want er waren geen sterren, er was geen licht. Dus je kunt er niet naar kijken, niet met licht, niet met gamma-stralen, niets. Maar met gravitatie-straling kunnen we deze periode toch bestuderen. Daar hebben we wel die Einstein Telescope voor nodig. De detectoren van LIGO/Virgo zullen die gevoeligheid nooit halen. Als we meer willen weten over het vroege heelal, zullen we die investering moeten doen”.
“Gravitatie is het organiserende principe van de kosmos. Het heeft de structuur van het vroege heelal bepaald, hoe sterrenstelsels clusteren, hoe objecten als superzware zwarte gaten zijn gevormd. Zwaartekracht bepaalt ook ons leven. Want ook wij bevinden ons in ruimtetijd. We wandelen erdoorheen en we worden ouder. Intussen schieten de zwaartekrachtsgolven dwars door ons heen”.
Titelfoto: Golven: Chris E. Henze, NASA – Jo van den Brand: Joost Overhoff, cacciucco.nl
