Het is even rustig, maar we kunnen je één ding verzekeren: daar komt zeer binnenkort verandering in!

Het had zomaar het woord van 2016 kunnen worden: zwaartekrachtsgolven. Hoewel Einstein het bestaan ervan een eeuw eerder al voorspeld had, slaagden onderzoekers er in 2015 in om ze ook daadwerkelijk te detecteren (wat vervolgens in 2016 bekend werd gemaakt). Opnieuw bleek Einsteins inzicht dus onnavolgbaar. “Die eerste detectie gaf ons toegang tot een sterke kromming van de ruimtetijd en we zagen dat die kromming veranderde en dus dynamisch is,” vertelt Chris van den Broeck, verbonden aan het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en lid van de LIGO-Virgo Collaboration dat de eerste zwaartekrachtsgolven in 2016 detecteerde. “Die eerste detectie was echter ook heel clean. We zagen twee zwarte gaten met een stellaire massa samensmelten zonder dat daar enige materie in de buurt te vinden was (die materie hadden de zwarte gaten al opgezogen, red.). We zagen dus alleen een verstoring van het zwaartekrachtsveld. Voor de fundamentele natuurkunde was dat echter een hele gebeurtenis.”

Wat zijn zwaartekrachtsgolven?
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpels in de ruimtetijd. Die ruimetijd kun je je het beste voorstellen als een strak gespannen laken. Planeten en sterren liggen als knikkers op dit ‘laken’, waardoor de ruimtetijd lokaal gekromd is. Daarnaast reizen er ook golven door de ruimtetijd. Dat zijn zwaartekrachtsgolven en ze ontstaan als twee zware objecten zeer dicht om elkaar heen draaien of fuseren. Het waarnemen van zwaartekrachtsgolven is nog niet zo gemakkelijk, maar met zogenoemde interferometers is het mogelijk, zo hebben de onderzoekers de afgelopen jaren herhaaldelijk aangetoond. De LIGO-Virgo Collaboration werkt met interferometers in de VS en Italië. In deze interferometers wordt een lasterstraal uitgezonden die gesplitst wordt in twee loodrecht op elkaar staande armen die vier kilometer lang zijn. Aan het uiteinde van die armen vinden we een spiegel die de laserstraal terugkaatst. Wanneer de twee armen precies even lang zijn, zullen de teruggekaatste laserstralen elkaar opheffen. Anders wordt het echter als de ene arm door het passeren van een zwaartekrachtsgolf ietsje langer wordt dan de andere (zie onderstaand filmpje).

En al snel werden er meer zwaartekrachtsgolven gedetecteerd: in juni 2016, juni 2017 en september 2017 zien onderzoekers opnieuw hoe het zwaartekrachtsveld door twee samensmeltende zwarte gaten verstoord wordt. Natuurlijk wordt er door journalisten gretig over geschreven. Maar het is de laatste detectie – in oktober 2017 – die werkelijk wereldnieuws wordt. “Dit was een detectie waar sterrenkundigen ook wat aan hadden,” vertelt Van den Broeck. Voor het eerst zien onderzoekers namelijk twee zware, zichtbare objecten fuseren: twee neutronensterren. “Het is heel redelijk om te zeggen dat dit één van de grootste astronomische ontdekkingen van deze eeuw tot zo ver is,” stelde Paul Lasky, eveneens lid van de LIGO-Virgo Collaboration, in oktober 2017. Voor het eerst konden onderzoekers de bron van de zwaartekrachtsgolven namelijk lokaliseren en in detail met telescopen observeren. “Sterrenkundigen konden precies zien wat er gebeurde,” vertelt Van den Broeck. “Zo zagen ze bijvoorbeeld dat bij het samensmelten van neutronensterren korte gammaflitsen ontstonden. Dat werd al langer vermoed, maar nu kon het voor het eerst ook bevestigd worden. Daarnaast konden de onderzoekers het spectrum van de botsende neutronensterren gedurende weken volgen. En dat bleek er heel anders uit te zien dan dat van een supernova (een zware ster die ontploft, red.). Dat komt doordat botsende neutronensterren een rijke omgeving hebben: ze vormen tal van zware elementen en dat zagen we terug in het spectrum en de evolutie daarvan. Daarnaast hebben we voor het eerst getijdenkrachten op neutronensterren gezien. We zagen aan het zwaartekrachtsgolfsignaal dat ze elkaar – met hun zwaartekracht – vervormden.” En als je weet hoe vervormbaar een neutronenster is, kun je langzaam aan beginnen met het oplossen van wat Van den Broeck “het grootste probleem binnen de stellaire astrofysica” noemt. “Als je weet hoe vervormbaar een neutronenster is, kun je meer zeggen over de interne structuur ervan.” Die structuur is nu nog in nevelen gehuld. Maar wanneer neutronensterren botsen, geven ze hun geheimen prijs. “Natuurlijk moeten we nog meer versmeltingen van neutronensterren met verschillende massa’s zien om de interne structuur nauwkeurig vast te stellen,” benadrukt Van den Broeck. Maar het begin is er!

Een artistieke impressie van twee botsende neutronensterren. Afbeelding: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.

Upgrade
Inmiddels zijn er sinds die laatste en bijzondere detectie maanden verstreken. En het woord zwaartekrachtsgolven valt in de media nauwelijks nog. Maar het is echt stilte voor de storm, zo verzekert Van den Broeck ons. “De systemen waarmee we zwaartekrachtsgolven detecteren, ondergaan voortdurend upgrades.” En op dit moment is zo’n nieuwe upgrade in volle gang. “Hierdoor kunnen we zeker tot midden januari niet observeren.” Maar het resulteert wel in nog gevoeligere detectoren. Dus kunnen we ons vanaf begin 2019 voorzichtig voor gaan bereiden op nieuwe grootste ontdekkingen. “Na deze upgrade kunnen we dezelfde objecten als voor de upgrade zien, maar dan twee keer zo ver weg. Daarnaast vergroten we het volume waar binnen we kunnen observeren zo’n acht keer. Het betekent dus dat we meer kunnen zien.”

Neutronenster en zwart gat
Maar wat mogen we dan precies verwachten als de LIGO- en Virgo-detectoren weer in actie komen? Het is koffiedik kijken. Maar Van den Broeck heeft wel een verlanglijstje. “We hebben nog geen botsing tussen een neutronenster en een zwart gat gezien. Het zou mooi zijn als we de zwaartekrachtsgolven daarvan op kunnen vangen. Daarnaast is het van belang dat we nog meer dubbele zwarte gaten zien versmelten en meer dubbele neutronensterren zien botsen. Misschien zul je denken: is dat niet meer van hetzelfde? Maar dat is niet zo. Met één versmelting kun je namelijk niet zoveel. Je hebt er een heleboel nodig om ze met elkaar te kunnen vergelijken.” Zoals gezegd kunnen we zo meer inzicht krijgen in de structuur van neutronensterren. Maar naar verwachting komen we zo ook meer te weten over de expansie van het heelal. Schattingen van de snelheid waarmee het heelal uitdijt – ook wel Hubble Constante genoemd – lopen enigszins uiteen. Zwaartekrachtsgolven afkomstig van zichtbare bronnen kunnen uitsluitsel geven over de snelheid waarmee het heelal uitdijt, omdat we niet alleen het licht van deze objecten kunnen bestuderen, maar uit het zwaartekrachtssignaal ook exact kunnen aflezen op welke afstand ze staan. Om de Hubble Constante echter zo nauwkeurig mogelijk te kunnen berekenen, zijn er – opnieuw – wel veel meer waarnemingen nodig.

Veel theorieën de prullenbak in
Hoewel onderzoekers de zwaartekrachtsgolven van slechts een handvol bronnen hebben opgevangen, zijn er op basis van die detecties al veel theorieën de prullenbak in gegaan. Bijvoorbeeld de theorie die stelt dat er meer dan drie ruimtelijke dimensies zijn. “Om te verklaren waarom de zwaartekracht zo zwak is, ontwikkelden onderzoekers een theorie die stelt dat de zwaartekracht toegang heeft tot extra dimensies. Als dat inderdaad zo zou zijn, zou een deel van de gravitatiegolven zijn weggelekt terwijl deze naar ons onderweg waren. Maar er is geen sprake van lekkage. Er zijn dus maar drie ruimtelijke dimensies en niet vier of vijf of zes, tenzij de extra dimensies “opgerold” zijn, en heel kleine afmetingen hebben.” Ook talloze theorieën die veronderstelden dat de snelheid van het licht sterk afwijkt van de snelheid van de zwaartekracht konden van tafel. “De neutronensterren gaven naast zwaartekrachtsgolven ook gammaflitsen af en zo waren we in staat om de snelheid van het licht naast die van de zwaartekracht te leggen. En ze bleken – zoals de algemene relativiteitstheorie voorspelde – sterk vergelijkbaar te zijn.”
De Einstein Telescope in Nederland?

Het zou zomaar kunnen dat de grote telescoop in Nederland verrijst. “Een locatie in Zuid-Limburg is ideaal. Maar er worden ook locaties in Sardinië en Hongarije overwogen.” Mocht er voldoende geld beschikbaar zijn om de telescoop te gaan bouwen, dan zal de bouw rond 2025 van start gaan. Pas in het volgende decennium worden dan de eerste waarnemingen gedaan.

LISA en Einstein
Terwijl we vooruitblikken naar wat er tijdens de volgende waarnemingsrun van de LIGO-Virgo Collaboration allemaal mogelijk is, is er ook genoeg reden om nog wat verder vooruit te kijken. Want er wordt al gewerkt aan nieuwe detectoren die nog veel meer kunnen zien. “LISA bijvoorbeeld. Deze missie bestaat uit drie sondes die in een driehoeksformatie in een baan rond de zon moeten gaan vliegen.” Met behulp van deze detector moet het mogelijk zijn om voor het eerst superzware zwarte gaten te zien samensmelten (tot op heden hebben we alleen zwaartekrachtsgolven van zwarte gaten met een stellaire massa gedetecteerd). “En dan is er nog de Einstein Telescope.” Of deze gigantische telescoop die op of onder het aardoppervlak zou moeten verrijzen, er daadwerkelijk komt, is nog onduidelijk. “Rond 2021 zal daar een knoop over worden doorgehakt.” Maar als de telescoop er komt, kunnen we weer heel andere dingen verwachten. “Deze zou twee neutronensterren moeten kunnen zien op het moment dat ze samensmelten. Ook dat hebben we nog niet gezien en het levert nog veel meer informatie op dan het detecteren van twee neutronensterren net voor ze botsen. Ook zouden we met deze telescoop dubbele zwarte gaten aan de rand van het zichtbare heelal moeten kunnen spotten. Deze zwarte gaten kunnen niet zijn ontstaan uit gewone sterren, want die waren er toen nog niet. Het betekent dat ze uit iets anders – misschien wel de oerknal zelf – zijn voortgekomen. Bovendien zouden we – wanneer we tot op de rand van het zichtbare heelal kunnen kijken – de hele evolutie van het heelal in kaart moeten kunnen brengen.” Zwaartekrachtsgolven zijn daarvoor met name heel geschikt, omdat ze zo onverstoorbaar zijn. “Verder wordt er ook nagedacht over pulsartiming. Hierbij kijk je eigenlijk of de radiopulsen van pulsars die wijd over het heelal verspreid zijn, verstoord worden door zwaartekrachtsgolven. “Hiermee kun je zwaartekrachtsgolven met ontzettend lange golflengtes detecteren, omdat de detector bijna net zo groot is als de Melkweg. En daarmee kun je dan ook andere fenomenen blootleggen. Bijvoorbeeld zwarte gaten die gaan fuseren, maar nu nog heel ver uit elkaar staan.” De ware kracht zit ‘m echter in het combineren van al deze instrumenten. “Samen kunnen ze op een breed spectrum detecteren en daarmee hebben we een grotere kans om de achtergrondstraling van zwaartekrachtsgolven – waarvan we momenteel niet weten op welke golflengte deze zich bevindt – te spotten. En die achtergrondstraling kan ons meer vertellen over de periode vlak na de oerknal.”

Er zit dus nog genoeg in het verschiet. Sterker nog: waarschijnlijk worden er in de nabije toekomst ontdekkingen gedaan die we nu nog niet zien aankomen. “We verwachten toch ook wel op het onbekende te stuiten.”

Frontiers of Astronomy
Wil je Chris van den Broeck nog veel meer horen vertellen over zwaartekrachtsgolven en de wijze waarop zij de geheimen van het heelal kunnen prijsgeven? Kom dan naar de Frontiers of Astronomy (6-10 augustus 2018). Tijdens deze week vertellen vooraanstaande bèta-wetenschappers zoals Van den Broeck over nieuwe inzichten op het gebied van astronomie, nieuwe vragen die daaruit voortkomen en de grenzen van onze huidige kennis. Naast Van den Broeck komen onder andere Marcel Vonk, Vincent Icke en Frans Snik aan het woord. Vonk zal meer vertellen over zwarte gaten en snaartheorie, terwijl Icke beschrijft hoe het goud in onze ringen en kettingen afkomstig is van brute botsingen tussen neutronensterren. Snik gaat dieper in op misschien wel het grootste vraagstuk dat er is: zijn wij alleen? Nieuwsgierig geworden? Bekijk het complete programma hier!