Dossier Zwaartekrachtgolven

JAGEN OP DE OERKNAL

Van het een komt het ander. Zo, bijvoorbeeld, komen er zwaartekrachtgolven. En zodra die eenmaal gemeten zijn volgt de Nobelprijs voor Natuurkunde.
Dat die prijs er zou komen zag de vaste lezer van Cacciucco.nl een lichtjaar geleden al aankomen, sinds van nóg iets iets anders kwam:

Ik zat als gewone sterveling in het vliegtuig, iets dat gewone stervelingen nu eenmaal kunnen doen. Naast mij zat echter een ongewone sterveling. Waarschijnlijk had hij voor gewone stervelingen geen tijd, maar al spoedig zou hij erachter komen dat dommen meer kunnen vragen dan tien wijzen kunnen beantwoorden. Bij wijze van spreken dan, want hij had overal een antwoord op.



Er volgde een artikel. En een update. En nóg een. En… Zeker, het ene verwijst naar het ander, maar nu de Nobelprijs in 2017 een feit is wordt het tijd de losse stukken bij elkaar te brengen in een dossier:

*

April 2012

EINSTEIN & JO.

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.

hoezo002c-scheef.m
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.pan.XL

Virgo’s ‘armen’: 2x 3km

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.m
Prof.dr.Jo van den Brand

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’.

*

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. ‘Secolo (Eeuw) XII’ staat erop.

Fibo XII.S

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/

*

Update Februari 2016
Blog 120. Ontdekking (Deel1)

Geen mooier woord en geen spannender bezigheid dan ‘ontdekken’.

In vele talen is het in feite hetzelfde: ‘to discover, découvrir, entdecken, scoprire‘.
Aangezien er niets nieuws onder de zon is, stuit je bij ontdekken niet echt op iets nieuws, maar je haalt de bedekking weg van iets dat er al was. Het ont-dekte is niet nieuw op zich, het is nieuw voor jou. Meestal verrassend. Soms minder. Soms zelfs niet in het minst.

Hora est‘. Die plechtige formule kreeg Prof.Dr.Jo van den Brand ongetwijfeld te horen kort voordat hem het doctoraat werd verleend. ‘Het is zover’, mailde hij mij op zijn beurt, kort geleden.
Dat ‘het’ was de wereldwijde aankondiging inzake een spectaculaire ontdekking van iets waarvan men al meende te weten dat het bestond. Het bestaan van zogeheten zwaartekracht- of gravitatiegolven werd verondersteld, in theorie. Maar theorieën hebben honger. Ze willen worden bevestigd door waarnemingen ‘in het echt’.
Dat gebeurde al in september vorig jaar, maar in de tussentijd werd ‘De Ontdekking van de Eeuw’ – al is die eeuw nog jong – angstvallig stilgehouden. Exacte wetenschappers gaan namelijk niet over één, twee, drie nachten ijs.
Maar op 11 februari j.l. was het dan zover. De detectie van gravitatiegolven werd op die dag zowel in Amerika, in Italië, als in Nederland wereldkundig gemaakt.

En zo gebeurde het dat ik mijzelf als eenzame ‘alfa’ terugvond in een met IQ’s volgestampt zaaltje op het Amsterdamse Science Park. Aldaar was een directe beeldverbinding opgezet met een persconferentie op de VIRGO-lokatie, nabij Pisa, Italië. Volgers van deze site zijn daarmee al vertrouwd, door het artikel ‘Einstein & Jo.’
In Italië kreeg men het eerste woord, dat vervolgens clamorosamente de mist in ging. De verbinding haperde namelijk dusdanig dat die uiteindelijk werd stopgezet. Gevolg: wrevel, maar nog aanzienlijk meer hilariteit. Topwetenschappers, die in een fractie van een seconde over een afstand van drie kilometer veranderingen kunnen registreren in de orde van een miljardste van een miljardste meter, leken opeens zowaar toch menselijk. (Hoewel dat alleen maar kwam doordat ze voor deze ene gelegenheid afhankelijk waren van de techniek van derden).
Aan de andere kant was het alsof het Amsterdamse publiek door dit falen van hogerhand werd gered. Lezers van ‘Einstein en Jo.’ weten dat Jo niet in God gelooft, maar nu had het er toch de schijn van dat de Heer door Zijn ingrijpen ons een verdere blootstelling aan het abominabele Engels van de Italianen bespaarde. (Zie ©log Nr.14 De Beste Wens voor Italië).

Ondertussen vertelde Jo dan maar zelf wat er vanuit Italië niet tot ons kwam. Dit onder het snorren van meerdere televisiecamera’s. De ontdekking ging al bij de presentatie zelf gepaard met grote media-aandacht, waarna de protagonisten linea recta werden afgevoerd richting het centrum van het vaderlandse tv-universum, De Wereld Draait Door.
‘Ik word geleefd’, stelde Jo vast, vlak voordat de taxi naar Hilversum voorreed. Fotografen, microfoons, vragen, felicitaties. Ondertussen hadden de heren daarbij een glas Australische bubbelwijn in de hand. Wellicht onbewust een illustratie van het feit dat het gedetecteerde signaal de aarde eerst aan de ‘onderkant’ had geraakt en daarna noordwaarts trok.

Jo&Co
‘Roerganger’ Jo van den Brand (r) en ‘datawizard’ Chris van den Broeck, met Oz-bubbles


Wie weet was er trouwens wel echte champagne geschonken als het signaal voor het eerst bij het Europese VIRGO was ontdekt in plaats van door het Amerikaanse LIGO, hoewel de Nederlandse onderzoekers ook daarbij zijn betrokken. Maar bij Jo zelf was de tijdsspanne tussen die teleurstelling en de sensatie van ‘DETECTIE!!’ zelfs voor hem onmeetbaar.
In elk geval had het laatste hem geëmotioneerd, zo bekende de professor. In lijn, vermoed ik, met hoe hij geraakt kan zijn wanneer hij over Einstein spreekt. Deze ‘ontdekking’ betekende tegelijkertijd de zoveelste bevestiging van dat immense genie. Zozeer, dat Jo bij De Wereld Draait Door stelde dat Einstein eigenlijk degene was die ervoor nog eens, postuum, de Nobelprijs verdient.
Dat deze ontdekking tot die prijs zal leiden lijkt trouwens zeker. Een oudere heer voegt zich bij ons en suggereert bijna dat… Maar Jo wuift die gedachte direct weg.
We zullen zien.

krabbel

N.B.
Wellicht volgt later een uitgebreider stuk over deze ontdekking als ‘update-service’ voor de lezers van Einstein & Jo., inmiddels weer het meest gelezen artikel op Cacciucco.nl. Zoals meestal op deze site zal dat dus zijn ruim nà de mediastorm, maar kosmisch gezien nog alleszins redelijk.
Het nu ontvangen signaal was anderhalf miljard jaar oud…
Maar wat zijn ze er blij mee.

*

Update Juli 2016
EINSTEIN & JO 2.0.

GW150914. Je weet wel. Nee?! En toch kan je ‘m moeilijk kleiner schrijven. Zó groot was de sensatie toen bekend werd dat voor het eerst op aarde een zwaartekrachtgolf was gemeten. Dat gebeurde in Amerika, waar het verschijnsel bekend staat als ‘gravitational wave‘ (GW). Het is een rimpeling in de ruimtetijd, een fenomeen dat bij gewone stervelingen (zoals ik) een rimpeling teweegbrengt op het voorhoofd, in een poging te begrijpen wat het is. Volgers van deze site, daarentegen, weten dat al. En meer. Ontdekking voor een beter begrip van wat volgt.

Het is zomer 2016. Ruim een half jaar is voorbijgegaan sinds die gedenkwaardige 14 september. En daar is Jo, oftewel Prof.Dr.Ir.Jo van den Brand. We spreken elkaar bij het Nikhef, op het Amsterdamse Science Park. Jo is net terug uit Japan, Daar is men druk doende een nieuwe interferometer te realiseren, ter aanvulling van de twee in de USA en de VIRGO-installatie in Italië. Dat gaat nog wel een paar jaar duren, maar voor kosmische begrippen is dat niks. Daarnaast sijpelen er geruchten door dat men in Amerika nog een mega-interferometer op de wensenlijst heeft staan.
VIRGO, ondertussen, staat bijna in de startblokken in een verbeterde versie. Ergens in het najaar moet het zover zijn. Trouwens, de eerste golf die werd gedetecteerd was zó sterk dat die mogelijk zelfs in de oude opstelling zou zijn opgemerkt. De gebeurtenis die het signaal opwekte was dan ook van een letterlijk verpletterende kracht. Het ging om twee zwarte gaten die steeds sneller om elkaar heendraaiden, ten slotte samensmeltend tot één geheel. Daarmee was een combi-zwart-gat geboren ter zwaarte van 62 zonsmassa’s, de optelsom van 30 en 35.
Ehm, mist hier niet iets? Inderdaad, drie zonsmassa’s werden tijdens dit geweld omgezet in energie en als zwaartekrachtgolven uitgestraald, vijfduizend keer zoveel energie als onze zon zijn zonneleven lang produceren kan.

De duizelingwekkende grootsheid van dit fenomeen vindt een waardige tegenhanger in de vrijwel even onvoorstelbare fijnheid van de apparatuur die er nodig is om een ‘uitloper’ van dit geweld te kunnen registreren. Om die onvoorstelbaarheid wat naar ons toe te buigen voert Jo een beeld ten tonele waar we vertrouwd mee zijn: ‘Als je één waterdruppel in het IJsselmeer laat vallen, dan stijgt het waterniveau’.
Als toehoorder kan je dat niet ontkennen, maar je kunt nauwelijks geloven dat die stijging meetbaar is.
‘Onze apparatuur’, zegt Jo daarop, ‘is honderdduizend keer gevoeliger dan wat voor het meten daarvan nodig is’.
Als toehoorder kan je vervolgens worden weggedragen. Knock Out. Voor wie dan toch nog staat: tijdens de twee tienden van een seconde waarin GW150914 de installaties passeerde werd een beweging gedetecteerd van een miljardste van een miljardste meter.

Jo's


Onlangs is die Golf Nr.1 gevolgd door een nieuwe detectie. Een zwakker signaal weliswaar, maar toch.
‘In de wetenschap’, zo doceert de professor, ‘geldt “Eén event is geen event”.
De bekendmaking van de eerste detectie was wel degelijk een wereldwijd media-event, maar die triomf vroeg toch om een herhaling ter bevestiging. Die is er nu. En wellicht gaan er nog vele volgen.
Dat geldt helemaal als de ondergrondse Einstein Telescoop ooit werkelijkheid wordt. Op z’n vroegst, schat Van den Brand, kan die er zijn in 2028-2030. Misschien wel in Zuid-Limburg. De proefboringen en -metingen daarvoor moeten nog beginnen. Op concurrerende locaties op Sardinië en in Hongarije is men daar al verder mee.

Aan de muur van de werkkamer van de Prof.Dr.Ir. hangt een foto van een jongere Jo, als deelnemer aan de Marathon van Amsterdam. Aha, de bekende combinatie ‘Hardlopen & Hard denken’. Tegelijk? Nuttig in elk geval, want voor het van de grond krijgen van een internationaal wetenschapsproject is het uitmunten in je vak hopeloos onvoldoende. Er komt nog zoveel meer bij kijken, zoals netwerken, mensenkennis, het respecteren van ’s lands wijs, ’s lands eer. En een lange adem.

*

N.B.

Kosmisch gezien vond het eerste geregistreerde ‘event’ vrij recent plaats, zo’n anderhalf miljard jaar geleden. Op een afstand dus van 1.500.000.000 lichtjaar. Relatief dichtbij. Toch een hoopgevende stap in de richting van de Heilige Graal: het ontrafelen van de Big Bang.

*

Update Oktober 2017

VERSE PRIMEURS (4X)


Op 17 augustus 2017 werden voor het eerst zwaartekrachtgolven opgevangen die werden veroorzaakt door het samensmelten van twee neutronensterren. Ook voor het eerst was daar de verbeterde Europese installatie bij betrokken onder de naam Advanced Virgo.
In samenspel met de twee LIGO-detectoren in Amerika was zo een driehoeksmeting mogelijk die leidde tot een nauwkeurige lokalisatie van de bron. Daardoor kon, alweer voor het eerst, zowel wereldwijd als in de ruimte een zeventigtal telescopen en andere instrumenten met precisie worden aangestuurd. Dat resulteerde in Primeur Nr.4, het waarnemen van de bij deze interstellaire botsing horende ‘gammaflits’. Onder meer…

Alsof dit alles nog niet spectaculair genoeg is, blijft de wetenschapshonger onstilbaar. De tot nu toe waargenomen bangs waren weliswaar (heel) big, maar het blijft jagen op dé Big Bang. Dus wordt er gewerkt aan nieuwe upgrades van de bestaande detectoren.
En wellicht zijn de inmiddels waargenomen golven voldoende om de fondsen los te trillen voor een nieuwe stap op het detectiepad, de Einstein Telescoop.
Ik zat als gewone sterveling in het vliegtuig, iets dat gewone stervelingen nu eenmaal kunnen doen. Naast mij zat echter een ongewone sterveling. Waarschijnlijk had hij voor gewone stervelingen geen tijd, maar al spoedig zou hij erachter komen dat dommen meer kunnen vragen dan tien wijzen kunnen beantwoorden. Bij wijze van spreken dan, want hij had overal een antwoord op.

N.B.
Een neutronenster is een ster in de eindfase van zijn bestaan. Door implosie is zo’n ‘finale ster’ relatief klein, maar heeft een extreme dichtheid. De nu waargenomen botsing van twee van deze sterren vond 130 miljoen jaar geleden plaats, voor kosmische begrippen kortgeleden. De waarneming zelf duurde zo’n 100 seconden, voor detectiebegrippen een eeuwigheid.

Klik hier voor verdere info van het Nikhef

*

Deze maand werden twee briefjes geveild, handgeschreven door Einstein. In November 1922, kort na het winnen van de Nobelprijs, gaf hij ze aan een koerier die hem iets kwam brengen in zijn hotel te Tokio, met de mededeling dat ze t.z.t. iets waard zouden zijn.

Briefje 1

“Kalm bescheiden leven brengt meer geluk dan succesvol streven dat gepaard gaat met voortdurende onrust”.


Opbrengst Oktober 2017: $1.56 miljoen

Briefje 2

“Waar een wil is, is een weg”.


Opbrengst Oktober 2017: $240.000

*

© Joost Overhoff