Had Albert Einstein gelijk? De Amsterdamse hoogleraar natuurkunde Jo van den Brand, verbonden aan de Vrije Universiteit en instituut Nikhef, is nauw betrokken bij het onderzoek en weet wat er zal worden onthuld. „Het is absoluut spectaculair. Dit wordt echt heel groot”, is het enige wat hij woensdag tegenover het ANP kon zeggen.

De kwestie gaat over de basis van het heelal. Van den Brand: „Het universum bestaat uit materie, je ziet overal deeltjes. Het is gemaakt in ruimte en tijd. Een van de grote inzichten van Einstein was dat het heelal vierdimensionaal is. Ruimte en tijd vormen één geheel: de ruimtetijd” (zie ”Ruimtetijd als trampoline”).

Van den Brand: „Die kun je in trilling brengen, je kunt de ruimtetijd laten krommen. Maar daar zijn heel heftige gebeurtenissen voor nodig.” Een botsing van zwarte gaten bijvoorbeeld, of een ontploffing van een ster.

Druppel

Zo’n explosie stuurt een schokgolf door het heelal, zoals rimpelingen in het water als iemand een steen in een vijver gooit. Maar die rimpels zijn onnoemelijk klein. „Daarbij vergeleken is een miljardste van een atoom al groot. Als je een druppel in het IJsselmeer gooit, stijgt het meer met de inhoud van die druppel. Wij kunnen zelfs 100.000 keer minder meten dan die ene druppel”, legt Van den Brand uit.

Om de zwaartekrachtgolven te kunnen meten, zijn er bijzonder nauwkeurige detectors gebouwd: twee in de Verenigde Staten, één in Italië en één in Duitsland. Die werken met een laserstraal in kilometerslange armen. Van den Brand: „Als er een zwaartekrachtgolf in valt, levert dat een meetbaar signaal op” (zie ”Zwaartekrachtgolven meten”).

Er heeft dan een minuscule verandering plaats. Een afstand van 40 biljoen kilometer –van de aarde tot de dichtstbijzijnde ster– is bij wijze van spreken veranderd met een haardikte. Zo’n geringe afstand was lange tijd niet te meten.

Omdat de trillingen in de ruimte door zwaartekrachtgolven uiterst gering zijn, worden metingen daaraan gemakkelijk verstoord, bijvoorbeeld door een langsrijdende auto of trein.

Pieptoon

Op sociale media doen al maanden geruchten de ronde dat de zwaarte­krachtgolven zijn gevonden. De betrokken wetenschappers, van de Amerikaanse instituten Caltech, MIT, LIGO Scientific Collaboration (LSC) en van de Europese Virgo Collaboration hielden hun mond. Tot donderdag.

Ze wilden er absoluut zeker van zijn hun ontdekking hout sneed. Niet voor niets zijn de wetenschappers erg voorzichtig. In 2014 kwamen andere astronomen met bewijzen voor zwaartekrachtgolven. Die zouden ze hebben gemeten in kosmische achtergrondstraling. Maar het bleek een misser: het signaal was afkomstig van stofwolken in het heelal.

LIGO heeft nu mogelijk het signaal opgepikt van een samensmelting van twee neutronen­sterren of zwarte gaten. Dat lijkt op een pieptoon die steeds hoger wordt en vervolgens langzaam uitdooft. Uit de logboeken van LIGO blijkt dat er zo’n zoektocht heeft plaatsgehad, meldde de New Scientist woensdag. Er zou dus iets bijzonders kunnen zijn gevonden.

Het zou gaan om twee zware objecten, elk van zo’n 30 zonnen zwaar. Deze draaiden om elkaar heen tot ze samensmolten. Daarbij werd de energie van enkele zonnen de ruimte in geslingerd. De ruimte trilde daardoor als een plumpudding. Deze zwaartekrachtgolf is mogelijk door wetenschappers waargenomen.

Het zou ook de eerste keer zijn dat een zwart gat direct waargenomen is door astronomen. Doordat zwarte gaten geen licht uitzenden, zijn ze niet met lichttelescopen waar te nemen.

De European Southern Observatory in Chili speurde van 17 september vorig jaar tot 14 januari met telescopen naar felle lichtflitsen, waarbij mogelijk ook zwaartekrachtgolven waargenomen zouden kunnen worden. Ze vonden er drie: in de sterrenbeelden Goudvis, Ram en Waterslang.

Zintuig

Anders dan licht worden zwaartekrachtgolven niet afgebogen onder invloed van sterren en planeten. Wetenschappers menen hierdoor gemakkelijker buitenaards leven te kunnen ontdekken en meer te weten te kunnen komen over het ontstaan van het heelal door de veronderstelde oerknal.

Het belang van de ontdekking is groot, zegt Van den Brand. „We zijn al duizenden jaren bezig om te kijken naar het heelal, naar de sterren. We hebben voor het eerst een heel nieuwe manier om dat te bekijken. Niet met licht, of röntgen­stralen, of infrarood. Nu kunnen we ook trillingen bestuderen in de ruimtetijd zelf. We kunnen alles in het heelal afbeelden dat trilling uitzendt, ook de bronnen die telescopen niet kunnen waarnemen. We krijgen er een heel nieuw zintuig bij en fantastische nieuwe inzichten.”

Ruimtetijd als trampoline

De beroemde natuurkundige Albert Einstein (1879-1955) publiceerde in 1916 de algemene relativiteitstheorie. In deze theorie wordt het heelal beschreven als een vierdimensionale ruimte met lengte, breedte, hoogte en tijd, de ruimtetijd.

Deze ruimtetijd kan worden voorgesteld als een strakgespannen trampoline. Alles wat energie of massa heeft, zoals een planeet of een ster, zakt als een bowlingbal in de ‘trampoline’ en veroorzaakt een kuil in de ruimtetijd. Hoe zwaarder de bal, hoe dieper de kuil. Natuurkundigen noemen dergelijke kuilen in de ruimtetijd een ”kromming”.

De zon is zo’n zwaar object. De planeten willen door hun snelheid wegzweven van de zon, maar kunnen niet uit de kuil komen: ze gaan niet snel genoeg. Op hun beurt veroorzaken de planeten ook een kromming van de ruimtetijd. Iemand die op aarde een sprong neemt, kan daaruit niet ontsnappen. Een raket richting Mars echter wel.

Zo’n kromming in de ruimtetijd beïnvloedt ook de richting van het licht. Dat is vergelijkbaar met een knikker die langs de bowlingbal op de trampoline wordt gerold. Door de kuil in de trampoline zal de knikker een andere richting krijgen.

Extreem compacte en zware objecten –zoals zwarte gaten en neutronensterren– veroorzaken extreme krommingen in de ruimtetijd; de kuilen in de ‘trampoline’ zijn zo diep dat zelfs licht daaruit niet kan ontsnappen.

De algemene relativiteitstheorie van Einstein voorspelt ook het bestaan van zwaartekrachtgolven. Wanneer er twee zwarte gaten of twee neutronensterren op elkaar botsen, ontstaat er niet alleen een kromming, maar ook minuscule trilling van de ruimte; hetzelfde effect als wanneer er een steentje in een vijver plonst. Er ontstaan dan zwaartekrachtgolven die zich met de snelheid van het licht door de ruimtetijd bewegen. Deze zijn nog nooit direct gemeten. Als ze bestaan, moeten ze een rimpeling laten zien in de ruimtetijd. Dat zou Einsteins theorie opnieuw bevestigen.

Zwaartekrachtgolven meten

Wanneer een zwaartekrachtgolf de aarde passeert, voorspelt Einsteins theorie dat de afstanden tussen voorwerpen heel even veranderen. De invloeden zijn zo klein dat een meter een fractie van een atoomdikte langer of korter zou worden. Het meten daarvan is erg lastig omdat ook het meetapparaat evenveel langer of korter wordt.

Er is één mogelijkheid om de verandering te meten: met licht. De snelheid van het licht blijft volgens de speciale relativiteitstheorie uit 1905 altijd 300.000 kilometer per seconde. En daarvan maken de Amerikaanse instituten Caltech, MIT, LIGO Scientific Collaboration (LSC) en van de Europese Virgo Collaboration dankbaar gebruik.

In het Amerikaanse Hanford werd in 2002 de eerste LIGO-installatie in gebruik genomen. Een tweede volgde in 2005 in Livingston. Beide LIGO-detectoren liggen op 3000 kilometer afstand van elkaar. Ze kunnen meten hoe de ruimtetijd zich uitrekt en samentrekt door zwaartekrachtgolven. Om de bron van de zwaartekrachtgolf in het heelal nauwkeurig vast te stellen, is een derde detector nodig. Later dit jaar wordt voor dat doel het Europese zwaartekrachtgolfexperiment Virgo in Cascina, in de Italiaanse provincie Pisa, in gebruik genomen.

De Amerikaanse installaties bestaan uit twee buizen van 4 kilometer lang, die haaks op elkaar staan. De Virgo-installatie heeft buizen van 3 kilometer lang. Een laser zendt voortdurend licht naar de installatie. Dit laserlicht valt op een halfdoorlatende spiegel, die het licht splitst. In elk van de buizen valt een deel van de laserstraal. Het laserlicht gaat in de buizen 400 keer heen en weer voor het er weer uittreedt. De constructie is zo gemaakt dat het licht uit de ene buis dat van de andere uitdooft.

Komt er echter een zwaartekrachtgolf voorbij, dan wordt één arm iets uitgerekt omdat de ruimtetijd uitrekt. De andere arm krimpt iets. De lichtstralen doven elkaar even niet uit. De detector neemt dan een signaal waar dat meestal enkele tienden van een seconde duurt.