Het onontdekte universum van zwaartekrachtgolven

Voor een machine die de diepste geheimen van het universum ontrafelt maakt hij niet zo’n indruk. Niets wijst erop dat de fabriekshal voor mij een verbinding heeft met de kosmos daarboven.

Merkwaardig zijn de twee kaarsrechte betonnen ‘armen’ die links en rechts uit het blauwwitte gebouw steken en in de verte aan de horizon verdwijnen. Als ik goed kijk zie in die richtingen ook gebouwen, naar verluidt de uiteindes van de armen op vier kilometer afstand. Meer indruk maakt de omgeving: de onmetelijke leegte van het dorre binnenland van de staat Washington in het noordwesten van de Verenigde Staten.

Het was deze ‘telescoop’ die drie jaar geleden voor het eerst direct het samensmelten van twee zwarte gaten detecteerde. Dat gebeurde in een ver sterrenstelsel, op 14 september 2015 om tien voor twaalf in de Nederlandse ochtend. Het opzienbarende daarvan was dat het ingekapselde hart van deze machine niet de straling van een gebeurtenis in het heelal registreerde (zoals vrijwel alle telescopen), maar minuscule trillingen in de ruimtetijd oppikte.

De natuurlijke trillingen die op ieder moment door de aarde gaan zijn al een miljard keer groter dan de trillingen waar Landry en collega’s naar speuren. Zonder maatregelen meten ze hier alles behálve zwaartekrachtgolven: sporen van zeegolven die tegen de kust slaan, 350 kilometer verderop, of trillingen van voorbijrijdend verkeer. “Een mysterieus signaal dat ieder nacht klokslag twee uur ontstond en daarna langzaam wegebde bleek het lozen van overtollig water in een aantal stuwdammen op tientallen kilometers afstand te zijn”, lacht Landry.

LIGO barst van de snufjes die de ruis wegpoetsen. Er is een systeem dat seismische trillingen opspoort en via positieveranderingen van de spiegels wegfiltert. Omdat een ‘normale’ laser zelf veel te veel ruis produceert, heeft LIGO een van de meest stabiele lichtbronnen in zijn soort. De speciale coatings van de spiegels zijn ook een wetenschap op zich: ze weerkaatsen 99,9996 procent van het licht (een huis-tuin-en-keukenspiegel haalt zo’n 95 procent). Verder is de ophanging van de veertig kilo zware spiegels een ingenieuze vierdubbel uitgevoerde slinger die van nature trillingen absorbeert.

Om de invloed van lucht in de opstelling tegen te gaan, staat de gehele laseropstelling in een ultrahoog vacuüm. In de vier kilometer lange vacuümbuizen is er nauwelijks storing van stofdeeltjes of moleculen. LIGO is na de Large Hadron Collider de grootste vacuümkamer in de wereld.

Tandje beter

Toch moet het allemaal nog een tandje beter. De gevoeligheid waarvoor de detector is ontworpen, is nog niet bereikt, ook al is LIGO sinds de eerste metingen in 2002 al een aantal keer gevoeliger geworden. Vanaf dit punt is er technisch waarschijnlijk nog een verdubbeling van de gevoeligheid mogelijk.

LIGO zit nu midden in zo’n verbeterronde, die nog het hele jaar duurt. Dat is overigens te horen. Lopend door de gangen tussen de kantoren van LIGO hoor ik boren en ander elektrisch gereedschap op de achtergrond. Nu de detector geen metingen doet is dat de uitgelezen kans om ook onderhoud aan de gebouwen te doen.

De ‘verbouwing’ van de detector gaat wat subtieler. Verbeteringen zitten in ogenschijnlijk onbenullige details. Zo zijn de spiegel vervangen door exemplaren waarvan de coatings op een andere manier zijn aangebracht. Nieuwe sensoren speuren naar statische ladingen die die hangende spiegels een beetje uit het lood kunnen duwen. De laser krijgt een upgrade die de natuurlijke quantumruis in het licht op een slimme manier vermindert. “Soms slaan we met zo’n ingreep de spijker op zijn kop en neemt de ruis af, soms gebeurt er niks en heel soms introduceren we nieuwe ruis”, zegt Landry. “Nog steeds kunnen we niet alle ruis die we zien verklaren, er blijft dus werk voor de ingenieurs.”

Sterren in de blender

Wanneer LIGO zijn ontwerpgevoeligheid haalt en twee keer gevoeliger is, zal hij ook twee keer zo ver kunnen ‘horen’. Het volume van het universum dat binnen bereik is verachtvoudigt daarmee. De verwachting is dat LIGO dan veel meer waarnemingen doet: botsingen van zwarte gaten en neutronensterren, of een combinatie daarvan. Volgens Chris Van Den Broeck is dat erg waardevol. Hij is onderzoeksleider bij de afdeling gravitationele fysica van onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. “We willen graag weten hoe vaak deze gebeurtenissen voorkomen, de voorspellingen hiervan lopen enorm uiteen”, zegt hij.

Meer metingen van neutronensterren (tot nu toe één waarneming) kunnen ook meer blootleggen over het binnenste van deze exotische objecten. Een neutronenster is het ultracompacte overblijfsel van ‘uitgebrande’ superzware ster. Niet groter dan enkele tientallen kilometers maar minstens zo zwaar als de zon. Atomen zoals wij die kennen bestaan hier niet, de materie bevindt zich waarschijnlijk in een bijzondere staat die hoofdzakelijk uit neutronen bestaat.

Via onder andere radiogolven zijn talloze neutronensterren gevonden, maar we weten nog maar weinig over hun dynamiek. Ook daar doen modellen erg verschillende voorspellingen, bijvoorbeeld over hun grootte en de eigenschappen van de exotische samenstelling. Een botsing biedt de uitgelezen kans om daar meer over te leren. “De doorgaans perfect rondvormige sterren vervormen en worden opengerukt. De zwaartekrachtgolven vertellen op welke manier dat gebeurt”, zegt Van Den Broeck. “Aangezien het gedrag de neutronenster waarschijnlijk vooral wordt bestierd door de sterke kernkracht, kunnen we deze kracht testen onder de omstandigheden die we met geen mogelijkheid kunnen nabootsen op aarde.”

Zwarte gaten als popcorn

Ook kunnen zwaartekrachtgolven uitsluitsel geven over hoe snel het heelal nu werkelijk uitdijt. Dát het universum steeds sneller uitdijt, daar zijn wetenschappers het wel over eens. Maar hóe snel precies, is de vraag. Metingen aan de kosmische achtergrondstraling en aan supernova’s leveren een andere maat op voor de uitdijing van het heelal. “Met zwaartekrachtgolven hebben we een derde en waarschijnlijk betrouwbare manier om de afstanden en snelheden in heelal te bepalen”, zegt Van Den Broeck. “Dat kan dus uitsluitsel geven in deze kwestie. Of weer een nieuwe waarde opleveren. Dan wordt het helemaal interessant.”