sinds de mens voor het eerst naar de sterrenhemel keek doorheen een telescoop is de technologie zo sterk verbeterd dat we nu behoorlijk diep en nauwkeurig in de kosmos kunnen kijken. tot nu toe zijn de meeste telescopen echter beperkt tot het waarnemen van objecten die licht uitsturen, zoals sterren of plasma. om ook dat deel van het universum te onthullen waar geen licht vandaan komt, worden sinds een aantal jaren detectoren ingezet om zwaartekrachtgolven te meten, zodat ook bijvoorbeeld zwarte gaten kunnen worden onthuld. met plannen voor een gloednieuwe detector 200 meter onder de grond wordt weldra de volgende stap gezet.

De Einsteintelescoop: de duisternis onthuld

Daniel R. Mayerson en Tjonnie G.F. Li

Ongeveer 400 jaar geleden richtten we voor het eerst optische telescopen op de sterrenhemel. Hiermee kregen we een eerste glimp van een buitengewoon rijk universum, bezaaid met hemellichamen zoals sterren, planeten en nevels. In de loop der jaren hebben we onze telescooptechnologie verbeterd, waardoor we steeds dieper en nauwkeuriger in de kosmos konden kijken. Maar conventionele telescopen zijn beperkt tot het detecteren van elektromagnetische golven – licht. Hierdoor kunnen ze voornamelijk objecten waarnemen die licht uitsturen, zoals sterren of plasma. Een aanzienlijk deel van het universum blijft echter donker en verstoken van zichtbaar licht. Deze duisternis vormt een mysterie dat klassieke telescopen niet kunnen onthullen.

Hier is sinds 2015 verandering in gekomen door de eerste meting van zwaartekrachtgolven door de ligo-detectoren in de VS. Zulke zwaartekrachtgolven zijn best te begrijpen als rimpelingen van de ruimtetijd zelf: uitrekkingen en samentrekkingen van de afstand tussen twee punten in de ruimte. Alle materie die wordt beïnvloed door de zwaartekracht stuurt zwaartekrachtgolven uit in alle richtingen, een beetje als golven op water die zich in alle richtingen weg van een verstoring van het wateroppervlak verplaatsen. Objecten waaruit weinig of geen licht ontsnapt, zoals zwarte gaten, blijven voor elektromagnetische waarnemingen verborgen, maar worden onthuld door deze zwaartekrachtgolven. In tegenstelling tot elektromagnetische golven bieden zwaartekrachtgolven zo een uniek perspectief waarmee we zelfs de meest duistere uithoeken van het heelal kunnen verkennen. Na miljoenen of miljarden jaren het heelal te hebben doorkruist, passeren deze golven uiteindelijk ook de aarde. De detectie van deze golven opent zo een gloednieuw, weergaloos venster op het universum.

De detectie van zwaartekrachtgolven opent een gloednieuw venster op het universum

De huidige detectoren, zoals ligo en Virgo, zijn geslaagd in hun opzet: een eerste detectie van zwaartekrachtgolven. Het moment is dan ook gekomen voor de volgende stap. Er komt een nieuwe generatie gevoeligere detectoren aan die de volledige kracht van de zwaartekrachtgolven kunnen ontgrendelen om zo de donkere hoeken van het universum te belichten. Plannen staan klaar voor een gloednieuwe detector op een diepte van 200 meter onder de grond: de Einsteintelescoop. Als de grensregio van België, Nederland en Duitsland wordt gekozen om deze te herbergen, duiken we binnenkort letterlijk onder Belgische grond om paradoxaal genoeg scherper naar de sterrenhemel te kijken dan ooit tevoren.

We worden in principe van alle kanten en op elk moment gebombardeerd door zwaartekrachtgolven afkomstig uit het heelal, maar hun effecten zijn zo minuscuul dat ze ons in het alledaagse leven helemaal niet beïnvloeden. Het is zelfs een moeilijke en subtiele zaak om de uitrekkingen in de ruimtetijd die de golven veroorzaken nauwkeurig te meten: een meetlat die langs een zwaartekrachtgolf wordt geplaatst zal simpelweg mee uitrekken door de gravitationele golven. Er moet dus slimmer te werk worden gegaan om deze ruimtetijdgolven vast te stellen. Gelukkig heeft Albert Einstein ons geleerd dat licht altijd met een constante snelheid voortbeweegt: 299 792 458 meter per seconde. Door de tijd te meten die licht nodig heeft om zich tussen twee punten te verplaatsen kunnen we dan de afstand tussen die punten meten. Als deze afstand fluctueert door de passage van een zwaartekrachtgolf, zal ook de tijd die licht nodig heeft om die afstand te overbruggen variëren.

Dit is het basisprincipe dat aan de grondslag ligt van alle zwaartekrachtgolfdetectoren: het uiterst nauwkeurig meten van de tijd die licht nodig heeft om van het ene punt naar het andere te reizen. Om deze metingen op een submicroscopisch niveau van precisie te verrichten maken detectoren gebruik van de techniek van interferometrie. Ze splitsen een lichtbundel in twee delen en sturen deze in tegenovergestelde richtingen. De twee bundels worden weerkaatst door spiegels en keren uiteindelijk terug naar de detector. Binnen de detector interfereren deze twee bundels met elkaar: lichtgolven kunnen elkaar versterken (constructieve interferentie) of uitdoven (destructieve interferentie). Wanneer de afstanden in de twee interferentie-armen variëren, fluctueert het interferentiepatroon op de detector mee – het signaal van een passerende zwaartekrachtgolf.

Met interferometrie meten we minuscule fluctuaties van kilometerslange afstanden

Interferometrie was al bekend in de tijd van Einstein. Het bleek echter een grote technologische uitdaging om een interferometer te bouwen die voldoende gevoelig zou zijn om zwaartekrachtgolven te detecteren. Deze golven leiden immers slechts tot een verandering in afstand van ongeveer 10^-18 meter in de detectorarmen, ondanks het feit dat deze armen enkele kilometers lang zijn. Om dit even in perspectief te plaatsen: 10^-18 m is ongeveer 1/1000 van de straal van een proton! Om deze kleine fluctuaties waar te nemen, moet een interferometer enorm precies worden afgesteld. Zijn lichtstralen – in feite lasers – moeten uiterst nauwkeurig in de juiste richting wijzen en zo min mogelijk afwijken van een specifieke golflengte. Het is van cruciaal belang dat de spiegels niet alleen nauwkeurig gepositioneerd zijn, maar dat ze ook uiterst glad zijn zodat ze de lichtstralen nauwkeurig in één bundel reflecteren. Bovendien moeten de spiegels en het gehele experiment zo geïsoleerd worden dat trillingen en andere omgevingsfactoren het licht en de afstand tussen de spiegels zo min mogelijk zouden beïnvloeden.

Het duurde tot 2015 tot de technologieën voldoende ontwikkeld waren om een detector gevoelig genoeg te kunnen maken om zwaartekrachtgolven te kunnen waarnemen. Het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, kortweg ligo, in de VS en het Frans-Italiaanse project Virgo ondergingen toen een significante opwaardering van hun initiële configuratie uit 2002 en 2003. Op 14 september 2015 werd er een onmiskenbaar signaal waargenomen van twee samensmeltende zwarte gaten, de eerste zwaartekrachtgolven ooit waargenomen. Bijna honderd jaar nadat Einstein hun bestaan had voorspeld werden ze eindelijk waargenomen. Deze triomf van wetenschap en techniek werd twee jaar later terecht bekroond door de Nobelprijs in de Natuurkunde 2017.

Tot op heden hebben we een klein honderdtal passerende zwaartekrachtgolven ‘gezien’ met deze generatie van detectoren. Ze waren allemaal afkomstig van binaire systemen: twee objecten die in elkaars zwaartekrachtveld om elkaar heen draaien. Volgens de zwaartekrachtwet van Newton is dit een eindeloos proces: als de twee objecten niet worden verstoord, zullen ze eeuwig om elkaar heen blijven draaien. Einstein bewees echter dat zo’n proces de omliggende ruimtetijd verstoort, net zoals een steen die in het water plonst en zo het nabijgelegen water verstoort. Net zoals in water creëert deze verstoring in het ruimtetijdweefsel golven die zich verder en verder van de objecten bewegen: de zwaartekrachtgolven. Deze golven dragen energie af van de twee om elkaar draaiende lichamen. Als gevolg van dit energieverlies neemt hun baan geleidelijk af, totdat de objecten zo dicht bij elkaar komen dat ze uiteindelijk met elkaar botsen en samensmelten tot één enkel object.

Er is geen reden tot zorg dat de maan binnenkort op de aarde zal neerstorten

Het meest nabije voorbeeld van een dergelijk binair systeem is dat van de aarde en de maan. Er is echter geen reden tot zorg dat de maan binnenkort op de aarde zal neerstorten. De zwaartekrachtgolven en het bijbehorende energieverlies in het aarde-maansysteem zijn zo minimaal dat het ruwweg 10²⁶ jaar zou duren voordat de maan daadwerkelijk met de aarde zou botsen. Ter vergelijking: het universum is slechts ongeveer 10¹⁰ jaar oud.

Om aanzienlijke zwaartekrachtgolven te produceren – vooral als we ze vanaf de aarde willen waarnemen en het binair systeem zich ver van ons bevindt – moet het golfproducerend binair systeem behoorlijk groot en gewelddadig zijn. Het heelal herbergt talloze van dergelijke systemen: neutronensterren en mysterieuze zwarte gaten, kleine objecten met een enorme massadichtheid, worden vaak gevangen door elkaars zwaartekrachtvelden. Deze zwaarwichtige binaire systemen verstoren de ruimtetijd op dramatische wijze en wekken kolossale zwaartekrachtgolven op die zelfs op miljoenen lichtjaren afstand, hier op aarde, nog waarneembaar zijn.

Het ‘zien’ van deze binaire systemen met behulp van zwaartekrachtgolven levert een enorme schat aan informatie op over het universum die anders voor ons verborgen zou blijven. Door zwaartekrachtgolven afkomstig van meerdere (binaire) zwarte gaten waar te nemen krijgen we een beter beeld van hoeveel zwarte gaten er zijn, hoe groot ze zijn en waar ze zich bevinden. Met die gegevens kunnen we uiteindelijk ook afleiden hoe zwarte gaten zijn ontstaan en hoe ze bijdragen aan de evolutie van sterrenstelsels. Maar zwaartekrachtgolven bieden ook inzicht in de intieme details van de objecten in de binaire systemen zelf. In een zwaartekrachtgolf afkomstig van een binair neutronenstersysteem zitten afdrukken geëncodeerd van hoe de neutronenster wordt vervormd door het zwaartekrachtveld van zijn partner. Zo krijgen we inzichten in de nog steeds mysterieuze interne structuur van neutronensterren.

Zwaartekrachtgolven bieden inzicht in de intieme details van de objecten in binaire systemen

Genoeg potentieel inzicht om menig wetenschapper warm te maken voor de waarneming van zwaartekrachtgolven. Er is echter nog veel ruimte voor verbetering: de huidige detectoren (de Advanced ligo en Advanced Virgo die sinds 2015 operationeel zijn) zijn momenteel enkel gevoelig genoeg om binaire systemen waar te nemen in onze kosmologische ‘achtertuin’. De technologie is nu rijp om een geheel nieuwe generatie detector te bouwen, met een wel tienvoudige verbetering in gevoeligheid: de Einsteintelescoop. Met deze hypermoderne detector gaan we binaire systemen kunnen waarnemen tot wel tien keer verder weg, of een verbetering van een factor duizend in het volume waarin we luisteren naar zwaartekrachtgolven. Zo zullen we, in plaats van rond de honderd binaire systemen die ligo momenteel detecteert per jaar, tot wel tienduizenden of honderdduizenden systemen blootleggen. Het waarnemen van zoveel binaire systemen zal ons eindelijk in staat stellen om het ontstaan, de evolutie en de populaties van zwarte gaten in ons heelal uitvoerig in kaart te brengen en te begrijpen.

Met zo’n uitgebreide bibliotheek van binaire systemen kunnen we ook op zoek gaan naar systemen waar de algemene relativiteitstheorie van Einstein tekortschiet in het voorspellen van hun evolutie. Dit zou een aanwijzing kunnen geven naar een nieuwe theorie die nauwkeuriger voorspellingen doet dan de relativiteitstheorie, vermoedelijk de langgezochte kwantumtheorie van zwaartekracht. Deze theorie zou ons moeten onthullen hoe de zwaartekracht van Einstein en de fundamenten van de kwantummechanica kunnen worden verenigd, maar blijft al decennialang ongrijpbaar voor theoretici.

Met de Einsteintelescoop zullen we zelfs zwaartekrachtgolven kunnen waarnemen die afkomstig zijn van andere bronnen dan binaire systemen. Zo produceren supernova-explosies – buitengewoon gewelddadige uitbarstingen van massieve sterren aan het einde van hun levenscyclus – naast de enorme uitstoot van elektromagnetische straling (licht) die we al kunnen detecteren met conventionele telescopen ook zwaartekrachtgolven. De exacte evolutie van dit krachtige natuurfenomeen blijft enigszins raadselachtig; de zwaartekrachtgolven die ze voortbrengen zullen ons cruciale aanwijzingen opleveren over hun precieze werking.

Hoe de zwaartekracht van Einstein en de fundamenten van de kwantummechanica kunnen worden verenigd blijft voorlopig ongrijpbaar

Door zwaartekrachtgolven te observeren van systemen die steeds verder weg liggen, kunnen we ook verder terug in de tijd kijken. De zwaartekrachtgolven bewegen zich immers voort aan de lichtsnelheid – als wij golven waarnemen die afkomstig zijn van miljarden lichtjaren ver weg, zijn deze golven ook miljarden jaren geleden geproduceerd. Met een krachtige hypermoderne detector nemen we zo een kijkje naar het donkere tijdperk van het universum, de periode vóór de aanwezigheid van licht, rond het ontstaan van de eerste sterren. Dit zou ons een ongeëvenaard inzicht geven in de vroege stadia van het heelal en wellicht ook de evolutie van het universum in zijn prille beginfase ontsluieren.

Om deze aanzienlijke beloften waar te maken, zal de Einsteintelescoop gebruik maken van sterke technologische vooruitgang en een dieper inzicht in gravitationele interferometers, om zo een grote sprong voorwaarts in detectiegevoeligheid te verwezenlijken. Het meest onmiddellijk zichtbare verschil met bestaande detectoren is dat de Einsteintelescoop op een diepte van meer dan 200 meter onder de grond geplaatst zal worden, ver weg van de bovengrondse trillingen die de detector kunnen verstoren. Met een nieuwe driehoekige opstelling, in plaats van de traditionele L-vorm van ligo en Virgo, zal hij ook moderne en verbeterde ruisonderdrukkingstechnieken kunnen gebruiken. Deze driehoek zal tevens detectorarmen van ongeveer 10 km hebben, meer dan een verdubbeling van de 4 km van de huidige ligo-armen (of 3 km bij Virgo), wat ook de gevoeligheid aanzienlijk zal versterken. Bovendien zijn er betere materialen beschikbaar voor de massieve spiegels in de interferometer, die nu ook op extreem lage temperaturen zullen worden gehouden om thermische trillingen tot een minimum te beperken. Nieuwe lasertechnologieën maken het mogelijk om de golflengte van de laser nog preciezer af te stemmen, en in elke arm zullen nu niet één, maar twee laserbundels heen en weer reizen tussen de spiegels. Hierdoor kunnen lage- en hogefrequentiezwaartekrachtgolven afzonderlijk en met meer precisie worden gemeten.

Dat de Einsteintelescoop er zal komen lijkt bijna zeker te zijn. Minder duidelijk is wáár deze baanbrekende detector zal worden gevestigd. Eén van de regio’s in Europa die in aanmerking komen, is de Euregio Maas-Rijn (emr). Dit gebied bevindt zich op een unieke locatie aan de grens van Belgisch Limburg, Nederlands Limburg en Duitsland. In de emr is de grond tectonisch stabiel genoeg om de telescoop ondergronds te bouwen. Bovendien biedt deze locatie een ideale gelegenheid voor internationale samenwerking, wat cruciaal is voor het succes van dit ambitieuze project. Samen met Sardinië in Italië is de emr een van de twee belangrijkste kanshebbers om de Einsteintelescoop te huisvesten.

De Euregio Maas-Rijn is een van de belangrijkste kanshebbers om de Einsteintelescoop te huisvesten

Als de Einsteintelescoop daadwerkelijk op het drielandenpunt wordt gevestigd, zal dit een aanzienlijke investering vergen van de betrokken gastlanden. Nederland heeft bijvoorbeeld al meer dan 800 miljoen euro van het Nationaal Groeifonds toegewezen aan dit ambitieuze project.  Maar de investering in de Einsteintelescoop belooft een enorme maatschappelijke en economische return. Grote wetenschappelijke experimenten zoals deze genereren veel werkgelegenheid. Denk aan de bouw van de benodigde infrastructuur, evenals aan de wetenschappers en het ondersteunend personeel dat nodig is zodra de telescoop operationeel is. Daarnaast zal de ontwikkeling van geavanceerde technologieën voor de telescoop de regionale industrie stimuleren en innovatie aanwakkeren. De Einsteintelescoop heeft het potentieel om een centrale rol te spelen in de toekomstige wetenschappelijke en technologische ontwikkeling van de regio.

Dergelijke wetenschappelijke experimenten leiden niet alleen tot baanbrekende ontdekkingen, maar stimuleren ook nieuwe technologische ontwikkelingen en bevorderen samenwerkingen tussen de industrie en de wetenschap. De European Organization for Nuclear Research (cern) is misschien wel het bekendste voorbeeld van dit fenomeen. Het wetenschappelijke onderzoek dat aan cern wordt uitgevoerd, met de zoektocht naar steeds geavanceerdere deeltjesversnellers en detectoren, evenals de enorme hoeveelheden gegevens die deze experimenten genereren, hebben in de loop der jaren tal van spin-offtechnologieën voortgebracht. Het meest in het oog springende voorbeeld van een technologie die onderzoek aan cern heeft voortgebracht – en die op voorhand zeker niet voorspelbaar was –  is het World Wide Web (www), oftewel het internet! Op mondiaal niveau heeft economisch onderzoek aangetoond dat instellingen zoals cern economisch gezien positieve resultaten opleveren. Een algemene vuistregel voor dergelijke hoogtechnologische wetenschappelijke projecten is dat elke geïnvesteerde euro kan resulteren in drie euro aan economische opbrengst. Dit weerspiegelt de gunstige effecten van de investeringen in wetenschap en technologie op economische groei en innovatie.

Elke geïnvesteerde euro kan resulteren in drie euro aan economische opbrengst

Voor de Einsteintelescoop zijn dergelijke economische raaklijnen niet louter toekomstmuziek. Technologieën worden momenteel reeds ontwikkeld en verfijnd in de Einstein Telescope Pathfinder (of et Pathfinder), een innovatief hoogtechnologisch r&d-centrum in Maastricht. et Pathfinder is een samenwerkingsverband tussen Nederland en België waarbij partners uit de industrie nauw betrokken zijn. Een opvallend voorbeeld van de belangrijke bijdrage van België aan dit project is de ontwikkeling van innovatief nieuw bekledingsmateriaal of coatings voor de spiegels in de interferometer, onder leiding van professor Jean-Pierre Locquet (KU Leuven). De meeste ruis die de zwaartekrachtgolfdetectoren zoals ligo en Virgo momenteel oppikken, wordt veroorzaakt door de coatings op de spiegels. Deze coatings, gemaakt van dunne laagjes van amorfe metaaloxiden, zijn verantwoordelijk voor het reflecteren van het licht in de detectoren. Een van de belangrijkste geluidsbronnen in deze coatings is de zogenaamde browniaanse thermische ruis, een soort trilling op atomaire schaal die ervoor zorgt dat de afstanden tussen de spiegels fluctueren, wat de metingen van de zwaartekrachtgolven verstoort. Door de amorfe materialen te vervangen door kristallijne materialen, waarvoor de technieken worden ontwikkeld door professor Locquet, kan de browniaanse thermische ruis verminderd worden.

De Einsteintelescoop zou ook van groot belang zijn voor de wetenschappelijke educatie, voor zowel jongeren als volwassenen. Bij de bouw ervan hoort ook een bezoekerscentrum waar mensen kunnen komen leren over alle facetten van zwaartekrachtgolven. In Kerkrade, Nederland, wordt momenteel een pilootproject opgezet, genaamd het Einstein Telescope Education Center (etec), om te onderzoeken hoe het publiek het meest effectief kan worden bereikt. Scholen en individuele bezoekers zouden naar verwachting in 2024 al welkom zijn voor bezoeken aan dit educatieve centrum.

Grootschalige wetenschapsprojecten, zoals de Einsteintelescoop, worden weleens de kathedralen van de 21ste eeuw genoemd. Dat is niet zonder reden: het bouwen van de Einsteintelescoop vereist het uitgraven van een immense ondergrondse caverna, meer dan 200 meter diep, op het grondgebied van drie samenwerkende landen (in het geval dat hij wordt gevestigd in de emr-regio). Dit is een bouwproject van ongekende omvang, dat talloze nationale en internationale logistieke, juridische en maatschappelijke uitdagingen met zich meebrengt.

Dit is een bouwproject van ongekende omvang, dat talloze nationale en internationale uitdagingen met zich meebrengt

De Einsteintelescoop belichaamt de menselijke drang naar kennis en ontdekking. Het project verenigt landen en wetenschappelijke gemeenschappen in een gezamenlijke zoektocht naar begrip van enkele van de meest mysterieuze verschijnselen in het universum. Net zoals de middeleeuwse kathedralen, die vele generaties overspanden en diepgaande innovaties inspireerden, zal de Einsteintelescoop uiteindelijk een betekenisvolle en blijvende erfenis nalaten voor toekomstige generaties. De manier waarop we de uitdagingen die dit grootschalige project met zich meebrengt aangaan en oplossen, zal ook bijdragen aan onze collectieve kennis en veerkracht.

De Einsteintelescoop vertegenwoordigt niet alleen een technologische en economische investering, maar ook een inzet in de ontwikkeling van ons fundamentele wereldbeeld. Hij is een eerbetoon aan de immense complexiteit en schoonheid van het universum en weerspiegelt onze eeuwige drang om onszelf en onze plaats in het universum te begrijpen.

Daniel R. Mayerson is postdoctoraal onderzoeker aan het Instituut voor Theoretische Fysica van KU Leuven. Zijn onderzoek richt zich op het identificeren van mogelijke afwijkingen op de relativiteitstheorie die van de snaartheorie kunnen komen, en die gedetecteerd kunnen worden in waarnemingen van zwaartekrachtgolven afkomstig van zwarte gaten.

Tjonnie G.F. Li is hoofddocent aan de departementen Natuur- & Sterrenkunde en Elektrotechniek van KU Leuven. Hij heeft zich de afgelopen 15 jaar toegewijd aan het onderzoeken van de implicaties van gravitatiegolfdetecties voor fundamentele en astrofysische vraagstukken. Zijn werk heeft onder andere bijgedragen aan de eerste detectie van zwaartekrachtgolven.