Precies vijf jaar geleden maakten wetenschappers bekend dat het gelukt was om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Die eerste detectie vond plaats in september 2015, en bevestigde een voorspelling van Albert Einstein van honderd jaar geleden. De ontdekking was wereldnieuws, omdat wetenschappers nu een nieuwe manier hadden om het heelal te bestuderen. Tot dan toe konden ze alleen licht, straling of radiogolven gebruiken. Maar nu konden ze ook ‘voelen’ wat er gebeurt. Daardoor kunnen ze voor het eerst in de donkere delen van het heelal gluren.
De aankondiging viel toevallig samen met de eerste ‘International Day of Women and Girls in Science’, die net door de Verenigde Naties was ingesteld. Hoewel er ruimte is voor verbetering, werken er veel vrouwelijke topwetenschappers in het zwaartekrachtsgolvenonderzoek. Zo waren ze betrokken bij deze ontdekking en werken ze aan toekomstige infrastructuren. Vandaag blikken drie van hen terug op de gebeurtenis van vijf jaar geleden, en delen ze hun verwachtingen voor de toekomst van het vakgebied.
De eerste detectie van zwaartekrachtsgolven werd aangekondigd op een grote persconferentie in Washington op 11 februari 2016, met livestreams over de hele wereld. Waar was je op dat moment?
Nissanke: ‘Ik was in Pisa, in Italië, op de locatie van de Virgo-detector. Ik was daar voor de persconferentie, en ik weet nog dat het echt surrealistisch was. Het was fantastisch om in die kamer te zijn, met zoveel aandacht van de pers. Ik herinner me ook dat ik uitgeput was. Niet alleen omdat ik 6,5 maand zwanger was, maar ook omdat we al maanden artikelen aan het schrijven waren, met vele eindeloze nachten. Op dat moment was er de gelegenheid om achterover te leunen en te denken: ‘Wow, kijk eens wat wij mensen hebben ontdekt.’
Steinlechner: ‘Ik was op dat moment in Glasgow, en we waren met 60-70 mensen uitgenodigd voor een online sessie in het hoofdgebouw. Daar keken we allemaal samen naar de persconferentie. Het was heel spannend, een feestelijke gebeurtenis. Het was leuk om te zien dat mensen het waardeerden dat een groep mensen van deze universiteit hieraan werkte. We voelden de impact van het evenement vooral in de maand erna, toen we merkten hoeveel aandacht we kregen van de media. En meer mensen namen contact met ons op en wilden samenwerken.’
Caudill: ‘Ik was erbij in Washington D.C., in de stand-by kamer bij de persconferentie. Mijn begeleider Gaby González was een van de mensen die de aankondiging leidde. Niet alleen de mensen om me heen waren blij en enthousiast. Ik weet nog dat mijn sociale media volliepen. En vrienden van mijn middelbare school en familie namen contact op. Het was echt spannend, ongeveer een week lang praatten mensen over niets anders dan wetenschap. Ik werkte al 10 jaar voor het LIGO-samenwerkingsverband. Voor mij was het echt verfrissend om te zien dat al dat werk zijn vruchten afwierp.’
Natuurlijk vond de eigenlijke waarneming plaats op 14 september 2015. Wanneer wist je voor het eerst van deze detectie?
Caudill: ‘We wisten van het signaal op de dag dat het gebeurde. Maar het signaal was zo hard en zo duidelijk dat we dachten dat het nep was en dat het bedoeld was als test. Sommige collega’s waren daar zelfs boos over, omdat we nog aan het opstarten waren en zij zich op andere dingen wilden focussen. Maar toen werd duidelijk dat dit echt geen test kon zijn. En naarmate de tijd verstreek, werd de ontdekking meer en meer bevestigd. We waren ook verrast dat het om twee versmeltende zwarte gaten ging. Tot dat moment wisten we niet zeker dat dat kon. Er was geen bewijs voor, omdat zoiets geen licht uitzendt.’
Nissanke: ‘Ik wist het ook op dezelfde dag. Ik was op de Universiteit van Oxford, waar ik aan een nogal sceptisch publiek een workshop gaf over hoe je een zwaartekrachtsgolfsignaal zou kunnen opvolgen. Ik gaf al 6 of 7 jaar van dit soort workshops, en vertelde dan dat we waarschijnlijk een zwaartekrachtsgolf zouden zien rond 2021, na een upgrade van de detectoren. Dus toen ik het bericht kreeg was ik geïntrigeerd en nieuwsgierig. Ik geloofde eerst niet dat dit een echte detectie was. Een handjevol mensen in de zaal kreeg een e-mail alert, dus er was die week veel spanning in de zaal. Daarna duurde het maanden voordat het doordrong, en om te bevestigen dat het echt was. En al het werk dat ik de afgelopen 15 à 16 jaar had gedaan was opeens logisch en zinvol.’
Steinlechner: ‘Voor mij was er geen ‘groot moment’, want de informatie begon langzaam binnen te komen via verschillende kanalen. De eerste keer dat ik besefte dat het echt gebeurd was, was toen ik een e-mail kreeg met de boodschap ‘er is iets gebeurd, vertel het alsjeblieft aan niemand’. Het was een spannende tijd, maar ook vreemd. We zaten in een soort tussenfase. En toen de ontdekking eenmaal bevestigd was, was het nog steeds vreemd omdat we het aan niemand mochten vertellen. Het leken vijf hele lange maanden tussen de eerste detectie en de persconferentie …’
Nu is het vijf jaar later. Is het onderzoeksveld veranderd sinds de eerste detectie?
Nissanke: ‘Vandaag de dag zijn er minstens 50 samensmeltingen van compacte objecten waargenomen, gecontroleerd en geanalyseerd. En er zijn nog meer signalen in de gegevens die we nog niet hebben geanalyseerd. Dat is best bizar als je bedenkt dat het met die ene gebeurtenis is begonnen. Je kan voelen dat je in een veld zit dat snel verandert. Nu zitten we in een volledig observatie-gedreven onderzoeksveld. Het veld groeit ook, er zijn nu duizenden mensen mee bezig. En er zijn veel deelgebieden bijgekomen, zoals big data, kunstmatige intelligentie en machine learning. Het is prachtig om een vakgebied zo te zien ontploffen. Studenten zijn ook enthousiast en een jonge generatie begint nu ook betrokken te raken.’
Steinlechner: ‘Het is duidelijk dat het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven veel meer aandacht en financiering heeft gekregen en dat de gemeenschap die eraan werkt sterk is gegroeid. Er zijn meer mensen en meer groepen die eraan werken.’
Caudill: ‘En we voelen ons nu veel meer op ons gemak bij onze waarnemingen. Er zijn ook meer externe groepen die gegevens analyseren en waarnemingen doen. Het detecteren van twee botsende zwarte gaten is nu routine, het gebeurt één keer per week. Versmeltende neutronensterren zijn nog steeds spannend. We zorgen ervoor dat de analyse snel is, zodat we multimessenger-astronomie kunnen doen en astronomen kunnen vertellen waar ze moeten kijken. Mensen raken ook steeds meer geïnteresseerd in het onderzoeken van extremere stelsels. Ze willen naar donkere materie kijken en exotische materiesystemen zoals quarkmaterie onderzoeken. Kortom: we voelen ons veel comfortabeler bij onze waarnemingen en gebruiken dat om na te denken over wat er nog meer mogelijk is.’
Er zijn veel waarnemingen gedaan, en het vakgebied heeft zich snel ontwikkeld. Wat is het meest interessante resultaat tot nu toe?
Nissanke: ‘In augustus 2017 detecteerden we twee samensmeltende neutronensterren, en daarbij werd straling over het hele elektromagnetische spectrum waargenomen. Dat was waanzinnig. Ik had hier tien jaar lang bijna elke dag over nagedacht. Ik hield me bezig met de theorie en simulaties van precies zo’n gebeurtenis. En ik dacht altijd dat dit iets was dat ‘op een dag’ zou kunnen gebeuren. Toen het echt gebeurde, was het verbluffend. Zelfs emotioneel.’
Caudill: ‘Voor mij was de ontdekking van die samensmeltende neutronensterren in 2017 ook het coolst. Het is uniek en we hebben weinig van dit soort gebeurtenissen gezien, twee maar. Een andere detectie die ik leuk vind, is het zwaarste zwarte gat dat we in mei 2019 vonden. Het was de eerste versmelting van zwarte gaten die eindigde in een zwart gat met een gemiddelde massa (142 zonsmassa’s). Vooraf was er heel weinig bewijs dat zoiets kon plaatsvinden, en het is een mysterie hoe het gebeurde. Maar het feit dat het kan, vult een ontbrekende schakel in de vorming van superzware zwarte gaten in.’
Steinlechner: ‘Ik werk vooral aan de instrumentatie, dus ik ben niet de beste persoon om te vertellen welke wetenschappelijke ontdekking de grootste was. Maar een ander resultaat voor mij is de start van de Maastrichtse wetenschapsgroep. Dat was misschien niet gebeurd zonder de detectie van zwaartekrachtsgolven.’
En we staan nog maar aan het begin… wat kunnen we in de toekomst verwachten van het zwaartekrachtsgolvenonderzoek?
Steinlechner: ‘We hebben te maken met hele lange tijdlijnen. Het is dus moeilijk om precies te voorspellen wat er ontdekt zal worden. Maar we kunnen veel meer en andere spannende ontdekkingen en nieuwe dingen verwachten. Zelfs met de kleine verbeteringen van de LIGO-detector na de eerste waarneming, konden we al veel meer zien. En natuurlijk nemen we vervolgstappen, want we bereiden ons voor op de toekomstige detectoren: de Einstein Telescope en de Cosmic Explorer. Als die over een jaar of 15 klaar zijn, zal dat tot nog meer spannende nieuwe ontdekkingen leiden.’
Caudill: ‘We zullen meer doen van wat we nu doen, en zo meer statistieken krijgen over zwarte gaten met verschillende massa’s. Ik hoop dat we ook zwarte gaten kunnen waarnemen die kleiner zijn dan één zonsmassa. Die zijn op een heel andere manier ontstaan. Niet door de dood van sterren, maar in density collapses in het vroege heelal. Dat is een heel ander systeem, en een kandidaat voor donkere materie. Met de toekomstige Einstein Telescope kunnen we veel meer detecties verwachten: duizenden elke paar dagen, in plaats van één. En ook signalen van verschillende lengtes, zowel hele korte als signalen die een hele dag duren. De variatie aan signalen en de grotere aantallen brengen een aantal computationele uitdagingen met zich mee. Daar moeten we de algoritmen en de computerinfrastructuur voor aanpassen.’
Nissanke: ‘Wat ik het spannendst vind, is dat we misschien dingen ontdekken die we niet verwachten. Dat moet nog komen. En dan zal het een puzzel zijn om uit te vinden wat het is. Maar het toegenomen aantal detecties is ook spannend. We zullen een hele catalogus krijgen, die veel zal betekenen voor de astronomie en de kosmologie. Ik verwacht ook dat we meer versmeltende neutronensterren zullen waarnemen met elektromagnetische straling, vooral met de KAGRA-detector die in Japan wordt gebouwd. En met LISA kunnen we in principe elk superzwaar zwart gat zien. Het is echt een tijdmachine, die samensmeltingen van objecten gebruikt als sondes om te begrijpen hoe het heelal is ontstaan.
En… ik hoop dat de demografie van onze onderzoeksgemeenschap verandert. Het zou goed zijn als er meer vrouwen en ondervertegenwoordigde minderheden in de hoge-energiefysica zouden komen. In Nederland en de VS kan nog veel meer worden gedaan om eerste- en tweedegeneratiewetenschappers bij het onderzoek te betrekken. Vertegenwoordiging is de sleutel. Dus ja, gelijkheid en inclusie. We moeten kritisch zijn en hieraan werken.’
Het grensgebied van Nederland, België en Duitsland is een kandidaat-locatie voor de Einstein Telescope. Hoe zou het zijn om dit volgende generatie zwaartekrachtsgolfobservatorium zo dichtbij te hebben?
Steinlechner: ‘Dat zou superspannend zijn. Ik werk al zo lang aan dit toekomstige instrument. Het zou the coolest thing ever zijn als het zo dicht bij mijn voordeur gebouwd werd. Het belangrijkste is natuurlijk dat de Einstein Telescope er überhaupt komt, of het nu in het grensgebied van Limburg is of op Sardinië. Dat is belangrijker dan de precieze plaats. Maar de gedachte om zo dichtbij te zijn als het gebouwd wordt, dat is superspannend.’
Nissanke: ‘Ik hoop echt dat de Einstein Telescope naar Nederland komt. Het zal zoveel brengen voor Nederland, België en Duitsland, ook voor de lokale bevolking. Het wordt een beetje een kleine versie van CERN en zal de regio veranderen. En het is een voorrecht om erbij betrokken te zijn. De wetenschap, technologie en infrastructuur zullen echt een verschil maken. Het is heel inspirerend en zal een voorbeeld zijn voor het de rest van de wereld. Nederland is een goede kandidaat om zo’n groot project op zich te nemen. En het zal een hele generatie wetenschappers opleiden. Dat zal fantastisch zijn, en de maatschappij veel opbrengen.’
Caudill: ‘Ik heb een tijdje in Louisiana gewoond, vlakbij de LIGO Livingston site. Daar heb ik ervaren dat het heel waardevol is om de detector en de onderzoekers op één plek te hebben. Als de Einstein Telescope hier gebouwd zou worden, zou Nederland samen met België en Duitsland de wereldwijde koploper zijn in de zwaartekrachtsgolfastronomie. Veel mensen zijn hier al komen wonen, of bereiden zich voor om hier te komen. En het biedt veel kansen voor jonge mensen. Je hoeft niet eens onderzoeker op het gebied van zwaartekrachtsgolven te worden, je kunt ook leren over detectoren of machine learning of iets anders. De toekomst ziet er rooskleurig uit, en ik ben er enthousiast over.’
Interview: Martine Oudenhoven
