Nog geen tien jaar geleden voorspelde gravitatie-expert en Nikhef-onderzoeker Chris Van Den Broeck op een conferentie dat de eerste zwaartekrachtgolven met een beetje geluk in 2018 zouden worden gemeten. Rimpelingen van Einsteins ruimtetijd, afkomstig van botsende neutronensterren, vermoedde hij.
Dat was te voorzichtig. De eerste echte meting kwam echter al in 2015 en bleek bovendien afkomstig van botsende zwarte gaten. ‘Het universum is nog veel opwindender dan we dachten’, zegt Van Den Broeck, die op dinsdag 20 november in Groningen zijn oratie uitspreekt als bijzonder hoogleraar Zwaartekrachtgolven aan de universiteit daar.
Inmiddels hebben de LIGO en Virgo-detectoren in de VS en Italië een handvol ruimterillingen waargenomen, van zwarte gaten en neutronensterren. Dat klinkt weinig, maar is zeker meer dan gedacht. ‘En dat terwijl de detectoren nog niet eens aan hun ontwerpgevoeligheid zitten. Die is nog ongeveer twee tot drie keer hoger dan nu. Als je tweemaal zover het heelal in kijkt, heb je achtmaal zoveel volume, dus verwacht je ook achtmaal zoveel events. We staan echt nog maar aan het begin. Er komt een enorme berg werk aan.’
Zijn onderzoek en werk aan de analyses van de signalen uit de LIGO en Virgo-detectoren in de VS en Italië, zal hij vooral in Amsterdam op het Nikhef doen. Maar vanaf februari geeft de Vlaming Van Den Broeck les aan masterstudenten in Groningen, twee uur ongestoord werken in de trein van Amsterdam. ‘Ik vind lesgeven leuk, en je komt je stoffige kantoor tenminste nog eens uit. Maar waar het echt om gaat is dat we de community snel moeten uitbouwen. Internationaal zijn er nu ongeveer duizend mensen actief in dit veld. Met nieuwe veel gevoeliger detectoren op komst in Japan en India is dat zeker niet genoeg.’
Chris Van Den Broeck (1974) werd opgeleid in Leuven, de VS en Cardiff, Wales en was van meet af aan gegrepen door de zwaartekracht. ‘De meest bekende, maar slechtst begrepen kracht in het universum. Mensen zijn steeds weer verbaasd als je ze dat uitlegt en wat de vragen zijn.’
Als theoreticus is hij gaandeweg in het experimentele meetwerk rond LIGO/Virgo terecht gekomen, waar hij de analyses van de eerste waarneming leidde. Werk waar theorie en metingen heel dicht bij elkaar komen, zegt hij. ‘We doen eigenlijk drie dingen. We testen in detail de Algemene Relativiteitstheorie. We proberen de eigenschappen van zwarte gaten en neutronensterren af te leiden. En we meten de uitdijingssnelheid van het universum. Allemaal analyses waarbij modelleren een cruciale rol speelt, om te weten of de signalen zijn wat je verwacht en eventuele afwijkingen te zien.’
De uitdijing van het universum is momenteel zelfs een extra hot topic. Astronomen hebben twee methodes om die te meten, de een aan de hand van de kosmische achtergrondstraling en de ander aan de hand van roodverschuiving van verre sterren. De beide metingen lopen behoorlijk uit elkaar. Van Den Broeck: ‘Zwaartekrachtgolven kunnen daar een onafhankelijke meting naast leggen. Misschien ergens tussen beide, misschien iets heel anders. Het wordt hoe dan ook opwindend.’
De tests van de Algemene Relativiteitstheorie concentreren zich onder meer op de voortplanting door de ruimte van de zwaartekrachtgolven. Als de snelheid waarmee de signalen reizen afhangt van de trillingssnelheid, wordt zo’n signaal gaandeweg in elkaar geperst. Die zogeheten dispersie komt niet voor in Einsteins relativiteitstheorie. ‘Een prachtige test’, noemt Van Den Broeck het. ‘En een afwijking zou natuurlijk helemaal fantastisch zijn. Volgens de krant gaven de zwaartekrachtgolven Einstein gelijk. Maar dat is nog helemaal niet gezegd.’
Uit de exacte vorm van de ruimtetijdtrillingen is een wereld aan natuurkundige eigenschappen van zwarte gaten en neutronensterren af te lezen, zegt hij. Hoe na de heftige versmelting van twee zwarte gaten het nieuwgevormde zwarte gat natrilt, vertelt bijvoorbeeld hoe de rand van een zwart gat er in werkelijkheid uitziet. Glad en vormeloos, zoals het klassieke zwarte gat eruit ziet. Of een vernietigende vuurmuur, die verklaart hoe informatie in zwarte gaten echt zoek kan raken. ‘Er zijn zelfs theorieën die een soort echoput voor zwaartekrachtgolven voorspellen, waar het signaal niet eenmaal uitkomt, maar keer op keer.’
Deels zijn zulke verschijnselen al met de huidige detectoren te meten, maar vooral de aantallen events houden nog niet echt over. De Japanse KAGRA-detector gaat mogelijk al het komende jaar meedoen met LIGO-Virgo in de VS en Italië. Over enkele jaren zal er ook een detector in India aansluiten. En wie weet komt daar op termijn ook de Einstein Telescope bij, een nog eens tienmaal gevoeliger detector die tot aan de randen van het zichtbare heelal zal reiken en waarvan momenteel overwogen wordt om hem in Zuid-Limburg te bouwen. Onderwerpen als donkere materie en donkere energie komen dan ook binnen het domein van de zwaartekrachtgolven.
De handvol significante metingen van nu zal hoe dan ook snel gaan oplopen, zegt Van Den Broeck. ‘We gaan echt statistiek maken met honderden of duizenden events per jaar. Er is genoeg. Het universum is een veel roeriger plek dan we durfden te denken.’
Oratie Chris Van Den Broeck
“Gravity’s messenger: The direct detection of gravitational waves, and what comes next”
20 november 2018 16:15 – 17:00
Aula Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen