Jagen op het ontstaan van ons universum. Spannender kan het niet. Verrassing: ze doen het op de saaiste plek op aarde.
Met inbreng uit Amsterdam.
Niet alles is scheef in Pisa. Sterker, het platteland eromheen is vrijwel waterpas. Ik loop er rond met prof.dr.Jo van den Brand, hoogleraar subatomaire fysica.
Hoezo, scheef?
We zijn op het Virgo-onderzoekscomplex, een van oorsprong Italiaans-Franse installatie middenin een vlakte van klei. Ideaal als dempende ondergrond. Erbovenop: twee kaarsrechte buizen van elk drie kilometer lang, haaks op elkaar. Ze zijn bedoeld om een fenomeen te betrappen dat door de ruimte raast: de gravitatiegolf. Sinds Einstein gaat men ervan uit dat ze bestaan, rimpelingen in de ruimtetijd die zich door het heelal bewegen als gevolg van uiterst gewelddadige gebeurtenissen in de kosmos. Botsende ‘zwarte gaten’ bijvoorbeeld. Met uiteraard op Nummer 1: de Big Bang.
Virgo’s ‘armen’: 2x3km
Ehm, ruimtetijd? Van den Brand: ‘Tot Einstein dacht men dat de fysieke wereld zich afspeelde op een onveranderlijk podium met een al even vaststaand decor, te weten ruimte en tijd. Maar sinds de algemene relativiteitstheorie weten we dat zowel podium als decor zelf meedoen in het stuk’. Ruimte en tijd zijn dus geen onveranderlijke grootheden. Ze zijn dynamisch. Daarom zullen tijdens het passeren van een gravitatiegolf de buizen van Virgo door minieme veranderingen in de ruimtetijd een vervorming vertonen.
Maar hoe meet je die? Men neme: één laserstraal en splitst die in tweeën. Ieder van die twee bundels vervolgt zijn weg in zijn eigen buis, om na spiegeling elkaar weer te ontmoeten bij een detector. Resultaat: ‘destructieve interferentie’. De toppen en dalen van de twee lichtgolven komen bij de detector precies omgekeerd aan ten opzichte van elkaar. Daarom doven de twee bundels elkaar bij ontmoeting uit. Kortom, zolang er niet iets bijzonders gebeurt, zie je… niets.
En als je een keer wel iets ziet, wàt zie je dan? De Virgo-‘interferometer’ is zo extreem gevoelig dat zelfs de golven van de Middellandse Zee, ruim tien kilometer verderop, een bron kunnen zijn van ruis. Sommige valse signalen worden overigens expres in het systeem gebracht om de speurders scherp te houden.
Inmiddels is men bij Virgo bezig met een drastische upgrade. In principe geldt: hoe langer de laserstralen, hoe gevoeliger het systeem en hoe meer kans op detectie van die dekselse rimpelingen in de ruimtetijd. Het (veel) langer maken van de buizen zelf stuit op praktische problemen, waaronder de kromming van de aarde. Daarom werden ook al in vorige Virgo-versies de laserstralen een aantal keren gespiegeld, waardoor de totale lengte ervan een veelvoud bedraagt van de drie kilometer van de buis. Onder de naam ‘Advanced Virgo’ zal nu het aantal spiegelingen worden opgevoerd tot het nog bruikbare maximum. (Schematische voorstelling).
Volgens het huidige schema zou vanaf 2016 de eerste detectie een feit kunnen zijn. Of zou er misschien toch iets…? Zou er bijvoorbeeld sprake kunnen zijn van, laten we zeggen, ’tunnelvisie’? Het lijkt onwaarschijnlijk.
En wat als het moment van triomf eenmaal daar is? De implicaties ervan zijn enorm. Het detecteren van gravitatiegolven zou het onderzoek van de ruimte naar een compleet nieuw niveau tillen. Ook de herkomst van die golven kan ermee worden achterhaald en de geschiedenis van het universum zal er door ‘leesbaar’ worden vanaf direct na de oerknal.
We zijn niet ver van de plek waar Galileo werd geboren, iemand die veel gebruikt maakte van zijn verbeterde versie van een Nederlandse vinding, de telescoop. Turend in de richting van de hemel. Logisch, zou je zeggen. En nu? Nu zitten ze te kijken met hun rug naar het zwerk, terwijl het universum via buizen en beeldscherm tot hen komt. Liefst zelfs onder de grond.
Maar al is Virgo simpel in principe, de praktijk is duivels moeilijk. Dat elke ketting zo sterk is als de zwakste schakel geldt ook hier. En van die schakels zijn er duizelingwekkend veel. Neem alleen al de spiegels: ze zijn transparant. Al het licht gaat er doorheen, behalve dat met de frequentie waar het om gaat. Neem de ophanging van die spiegels, trillingsvrij. Delicater kan niet. Neem de buizen, die op lengte moeten worden gehouden, al naar gelang krimp en uitzetting door temperatuursverschil. Neem het vacuüm trekken van die buizen, waarvoor telkens een volle maand nodig is. Enzovoort.
We betreden een ‘cleanroom’, een stofvrije ruimte. Een ploeg technici uit Amsterdam is er bezig met de installatie van een ‘optische tafel’. Vanaf die tafel wordt de laserstraal in het vacuüm gebracht. Het is één van de bijdragen aan Virgo in het kader van het Nikhef, het Nederlandse Nationaal instituut voor subatomaire fysica.
Alleen al de trillingsisolatie van die tafel is een wonder van techniek. Om stil van te worden. De discrepantie tussen wat mensen kunnen maken, en breken, kan nauwelijks treffender zijn dan hier. (Zie ook: De stabielste plek op aarde)
In afwachting van de eerste detectie wordt er overigens al hard nagedacht over het vervolg. Op termijn zal er een nog veel ambitieuzere detector nodig zijn. Het ontwerp van deze ‘Einstein Telescoop’ voorziet in een driehoekig, ondergronds tunnelcomplex met buizen van elk tien kilometer lang. Enkele mogelijke locaties: de Pyreneeën, Sardinië, Hongarije en… Zuid-Limburg.
Volgens een recente ‘roadmap’ in Europees verband zou in 2020 kunnen worden begonnen met de constructie. Prijskaartje: circa een miljard euro.
Jo.
Jo van den Brand onderging een zwaar religieuze opvoeding. Dat bleek niet goed samen te gaan met de hersens van de jonge Jo, die al vroeg op toeren kwamen. Inmiddels, met een leerstoel bij de Vrije Universiteit, doceert hij als ongelovige van katholieken huize in wat ooit een streng protestants bolwerk was. Het kan verkeren.
Zou hij misschien zelfs ooit in aanmerking komen voor…? Van den Brand heeft er geen twijfel over dat detectie van gravitatiegolven tot de Nobelprijs zou leiden, maar wel over de vraag wie die dan moet krijgen. De huidige wetenschappelijke praktijk vereist zo’n vergaande samenwerking, dat je zo’n prijs in redelijkheid vrijwel nooit meer kan geven aan één iemand. Zelfs niet aan twee mensen, of drie. Eerder aan organisaties.
Maar wanneer Jo over Einstein spreekt, breekt er iets van emotie door. Diep inzicht, in Einsteins werk, in het heelal, het blijkt behalve het hoofd ook het hart in trilling te kunnen brengen. Het universum is zo ontzagwekkend dat het ontroeren kan. Voorlopig verbergt het nog vele geheimen. Misschien is het ‘heelal’ slechts een ‘deelal’, en bestaan er nog tal van dimensies die we niet kennen.
De professor heeft trouwens ook een dimensie ontdekt waarvan de wereld al afwist, maar waar de empirie geen vat op krijgt. De naam: kunst. Wat het is? Wie zal het zeggen? Maar het bestaat. Ook de hoogleraar in ‘harde vakken’ kan en wil dat ‘zachte’ niet ontkennen.
En toeval, bestaat dát? Is het niet zo dat we alleen over toeval spreken omdat we niet alle variabelen kennen, of kunnen overzien? De professor, daarentegen, neemt het ronduit voor het toeval op.
Hm, als-ie gelijk heeft zal het wel geen toeval zijn. Of…
Jo kijkt me aan. Wat denkt-ie? Volgens mij dit: ‘Zo’n alfa lijkt een beetje op onze spiegels. Bijna alles wat je aan kennis op ‘m afschiet gaat er dwars doorheen’.
*
Zie ook: Ontdekking (Deel 1) & Einstein & Jo 2.0
*
Virgo Varia
De te meten vervorming is in de orde van grootte van
1 op 1.000.000.000.000.000.000.000.
Dat we dit soort cijfers zo goed kunnen lezen hebben we te danken aan de wiskundige Fibonacci, die ook uit Pisa kwam. Hij verloste ons van de Romeinse cijfers door het introduceren van de Arabische, inclusief het cijfer nul. Daarom staar je verbluft naar de sokkel van zijn standbeeld.
Momenteel kan tot een paar honderdduizend jaar na de Big Bang worden teruggekeken. Via analyse van gravitatiegolven tot een triljoenste van een seconde na de knal.
Onderzoek van de Universiteit van Harvard leverde recentelijk indirecte aanwijzingen voor het bestaan van gravitatiegolven. Virgo streeft naar directe meting van die golven zelf.
Tijdstip Big Bang: zo’n 13,7 miljard jaar geleden.
Zwart gat: hypergeconcentreerde massa die zelfs licht in zich opzuigt.
In de V.S. bestaan Virgo-varianten onder de naam ‘LIGO’.
Mogelijk zal in de toekomst de interferometer ‘LISA’ in de ruimte worden gebracht, een driehoekige constellatie van satellieten.
Einstein Telescoop: www.et-gw.eu
Nikhef: www.nikhef.nl/wetenschap-techniek/astrodeeltjesfysica/zwaartekrachtgolven/
