‘Gravitatiegolven zijn de toekomst voor de exploratie van de kosmos’

‘De geschiedenis leert ons dat telkens wetenschappers een nieuwe dimensie van het heelal ontsluiten, dit voor grote verrassingen zorgt’, schrijft Thomas Hertog naar aanleiding van zijn college voor de Universiteit van Vlaanderen over gravitatiegolven.

Het LIGO Observatorium in de Verenigde Staten schreef onlangs de eerste ontdekking van gravitatiegolven op zijn naam. Het uitermate zwakke signaal bleek afkomstig van twee, voor het overige onzichtbare zwarte gaten diep in het heelal, die anderhalf miljard jaar geleden samensmolten tot één groter zwart gat. Precies honderd jaar geleden voorspelde Albert Einstein op basis van zijn algemene relativiteitstheorie, dat er bij dergelijke versmelting trillingen van het ruimteweefsel – gravitatiegolven – ontstaan die zich vervolgens aan de lichtsnelheid voortplanten.

Deze sensationele ontdekking is van een kaliber dat we slechts enkele keren per eeuw meemaken in de natuurkunde. Het blijvende belang ervan is dat gravitatiegolven ons een manier aanreiken om het heelal te bestuderen die we nooit eerder hebben gehad.

Sinds het ontstaan van de mensheid, is haast alles wat we weten over ons heelal immers tot ons gekomen door wat we hebben gezien, via lichtgolven dus: zichtbaar licht voor de eerste telescopen waarmee Galilei aan de slag ging, UV stralen voor de Hubble telescoop, enz.

Maar meer dan 95% van alle materie in het heelal is donker en onzichtbaar. Met gravitatiegolven kunnen we nu als het ware luisteren naar dat donkere universum. Gravitatiegolven zijn de meest penetrerende en meest hoog-energetische vorm van straling die er bestaat. Zij laten ons toe door te dringen in gebieden van het heelal die geen licht uitstralen, zoals de omgeving van zwarte gaten, of gebieden die ondoordringbaar zijn voor lichtgolven, zoals de hete oerknal of de kernen van sterrenstelsels.

Het vereist wel een heel bijzondere en heel gevoelige, L-vormige meetopstelling om trillingen van de ruimte op te vangen. In het LIGO observatorium gebeurt dit met behulp van krachtige lasers waarmee men de lengte meet van twee loodrechte buizen van vier kilometer tot op een nauwkeurigheid van een fractie van de diameter van één enkele atoomkern. Wanneer nu een bundel gravitatiegolven uit de kosmos doorheen de aarde rolt trekt die de ruimte in de ene richting ietwat uit terwijl zij haar in de andere richting samendrukt. Daardoor varieert de lengte van de buizen heel even, wat zich manifesteert in een verandering van het laser interferentiepatroon.

Observatoria van gravitatiegolven worden de CERNs van de 21^ste eeuw

Vandaag horen we met LIGO enkel de meest krachtige kosmische explosies van gravitatiegolven. Maar er liggen ambitieuze plannen op tafel om in het Nederlands – Duits – Belgisch grensgebied de opvolger van LIGO te bouwen, een `Einstein telescoop’. Die wordt ontworpen als een gigantisch ondergronds laboratorium, met een armlengte van wel tien kilometer, waar men jaarlijks honderdduizenden waarnemingen van gravitatiegolven zou registreren en zo de hele wereld gedurende tientallen jaren in staat zou stellen om via gravitatiegolven meer over de kosmos te leren.

Limburg is een serieuze optie dankzij de unieke geologie van het gebied. Samen met collega’s van het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) in Nederland willen we op zeer korte termijn de seismische kwaliteiten van de Limburgse bodem gedetailleerd in kaart brengen, onder meer door sensoren te plaatsen in een oude diepe waterput in Voeren, die eigendom is van de De Watergroep. Als bijkomende metingen uitwijzen dat de ondergrondse ruis effectief miniem is in de regio, hebben we een heel interessante en concurrentiële locatie.

De aanwezige kenniseconomie en technologische knowhow in de brede omgeving in de drie gastlanden zijn een extra troef die door het project nog zullen versterkt worden. De Einstein telescoop zal immers niet alleen topwetenschap voortbrengen maar vooral ook als springplank fungeren voor innovatieve spin-offs en start-ups rond het onderzoek en de ontwikkeling die aan de basis liggen van het project. Bovendien is het een ideaal project voor enthousiasmering rond wetenschap in het onderwijs en, door de geografische inplanting, voor de bevordering van de dialoog en de samenwerking tussen de drie landen en hun regio’s.

Met de Einstein-telescoop zullen de veranderingen in de toonhoogte, en het ritme, en het volume van de vele duizenden gravitatiegolven die jaarlijks de Aarde bereiken, ons het verhaal vertellen van de donkere, onzichtbare kant van ons heelal, van het geruis van zwarte gaten in onze Melkweg, tot de trillingen van de oerknal. Wie weet komen we wel iets te weten over de interne structuur van zwarte gaten. Of misschien had Einstein het toch niet helemaal bij het rechte eind had met zijn relativiteitstheorie, en ontdekken we fenomenen waaraan we nog niet eens hebben gedacht? De geschiedenis leert ons immers dat telkens wetenschappers een nieuwe dimensie van het heelal ontsluiten, dit voor grote verrassingen zorgt.

In het Nederlands- Duits- Belgische grensgebied verrijst met de Einstein-telescoop misschien wel het grootste wetenschappelijke prestigeproject in onze regio. Precies daarom is een daadkrachtig en doeltreffend Belgisch engagement ter ondersteuning van dit project absoluut noodzakelijk.

Professor Thomas Hertog is als kosmoloog verbonden aan de KU Leuven.