Directe waarneming van zwaarte­kracht­golven markeert het begin van een nieuw tijdperk voor natuurkunde en astronomie

De directe waarneming van zwaarte­kracht­golven markeert het begin van een nieuw tijdperk voor natuurkunde en astronomie, stelt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone. ‘Dit is een wetenschappelijk avontuur dat decennia gaat duren.’

Sterren en zwarte gaten zijn te ver weg om eraan te kunnen voelen, ruiken of proeven. Je kunt ze niet van de hemel plukken en ermee experimenteren in je lab. De enige manier waarop wetenschappers deze waanzinnig interessante objecten kunnen onderzoeken, is door ernaar te kijken met telescopen die zichtbaar licht en andere vormen van elektromagnetische straling zoals radiogolven en gammastraling opvangen.

Met de ontdekking van zwaartekrachtgolven in 2016 is daar een geheel nieuwe optie bijgekomen. “Dankzij zwaartekrachtgolfdetectoren kunnen we nu ook de ruimte-tijdtrillingen ervaren die bijvoorbeeld samensmeltende zwarte gaten veroorzaken,” zegt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone van het Amsterdamse onderzoeksinstituut Grappa. “De ontdekking is schitterend. Zwaartekrachtgolven kunnen ons helpen meer te leren over fundamentele fysica, zoals de zwaartekracht en de mysterieuze donkere materie en donkere energie. Ze zijn het begin van een nieuw wetenschappelijk avontuur, een nieuw tijdperk in de natuurkunde en astronomie dat decennia zal duren.”

Hoe kwam de eerste meting van zwaartekrachtgolven tot stand?

“In de jaren zestig dachten de meeste natuurkundigen dat zwaartekrachtgolven een theoretische curiositeit waren die we nooit zouden kunnen meten. Maar een paar mensen, onder wie de latere Nobelprijswinnaar Kip Thorne, zeiden dat zwaartekrachtgolven móéten bestaan. Zij hadden het gekke idee dat het mogelijk zou zijn om lengteveranderingen die zwaartekrachtgolven veroorzaken in een buis van vier kilometer lang te meten met een precisie van een duizendste van de grootte van een proton, de kern van een waterstofatoom. Dat is waanzinnig! Wie zou in zo’n idee geloven? Toch gingen deze onderzoekers door. Ze dachten niet alleen dat ze zwaartekrachtgolven zouden kunnen meten, maar ook dat het mogelijk moest zijn ze te ontcijferen, om zo meer te weten te komen over de gebeurtenissen waarbij ze golven, zoals bij het samensmelten van zwarte gaten. Ik ben enorm onder de indruk van hun ambities destijds. En ze kregen gelijk.”

U stelt dat de detectie van zwaartekrachtgolven het begin van een nieuw tijdperk markeert. Waarom?

“Hiervoor kun je het best kijken naar de geschiedenis van de astronomie. Duizenden jaren keken we met het blote oog naar de hemel, tot de uitvinding van de telescoop in het begin van de 17de eeuw. Met steeds betere telescopen gingen we steeds dieper het heelal in kijken. Maar telescopen zijn eigenlijk gewoon grotere ogen waarmee we hetzelfde zichtbare licht zien als met het blote oog.”

“De afgelopen eeuw is daar de zogeheten multiwavelength-astronomie bijgekomen, waarbij we de ‘kleuren’ van het universum leerden kennen die je met het blote oog niet kunt zien, zoals infrarood-, radio- en röntgenstraling. Tot 2016 bestond astronomie grotendeels uit het observeren van deze verschillende kleuren. Met de detectie van zwaartekrachtgolven kregen we er plots een nieuw zintuig bij. We kunnen het universum nu ook ervaren door het golven van de ruimte-tijd.”

Wat levert dat extra zintuig ons op?

“Hierdoor kunnen we gebeurtenissen observeren die voor andere telescopen verborgen blijven, zoals het samensmelten van zwarte gaten. Ook zijn er gebeurtenissen die we nu op verschillende manieren kunnen waarnemen, zoals het samensmelten van supercompacte sterren, de neutronensterren. Hierbij ontstaan niet alleen zwaartekrachtgolven, maar ook allerlei ‘kleuren’ licht, zoals infrarood- en röntgenstraling.”

“Het licht en de zwaartekrachtgolven zien we als twee verschillende soorten boodschappers die ons, elk op een eigen manier, informatie over een gebeurtenis kunnen brengen. Door ons nieuwe zintuig te combineren met bestaande observatietechnieken kunnen we meer te weten komen over het universum.”

Wat zijn op dit moment de grote mysteries van de moderne fysica?

“Bovenaan mijn lijstje staan donkere materie, donkere energie – die de versnelde uitdijing van het heelal drijft – en inflatie, de theorie dat het heelal meteen na de oerknal heel kort exponentieel groter werd. Dat zijn de drie pijlers die ons een standaardtheorie van de kosmologie geven. Die theorie verklaart alle observaties, maar we hebben geen idee wat de ware aard is van donkere materie, donkere energie en inflatie. Hiervoor lijkt het belangrijk om het oneindig grote, het hele universum, te verbinden met het oneindig kleine, de microscopische wereld van de deeltjesfysica. We willen verbanden leggen tussen wat er op de grootste schaal en de kleinste schaal in het universum gebeurt.”

Bestaat donkere materie eigenlijk wel?

“Laat ik het antwoord hierop zorgvuldig formuleren. Wat we zeker weten, is dat Einsteins algemene relativiteitstheorie een uitzonderlijk nauwkeurige beschrijving geeft van het universum waarin we leven. Tenminste, als we aannemen dat er een extra vorm van materie bestaat die niet is opgenomen in onze standaardtheorie van de deeltjesfysica: donkere materie.”

“Er zitten een paar scheurtjes in deze beschrijving van het universum, met die extra materie. Maar die scheurtjes zijn zo klein dat ik ze zie als kansen om onze huidige theorie van het universum te verfijnen, in plaats van als redenen om die te verlaten. Ik kan alleen niet garanderen dat donkere materie bestaat totdat we het spul vinden met onze detectoren. Daarom zijn astrodeeltjesfysici zoals ik gemotiveerd om het raadsel van donkere materie tot op de bodem uit te zoeken.”

Waar kijkt u de komende jaren het meest naar uit?

“Naar mijn idee is de samenhang tussen zwaartekrachtgolven en fundamentele natuurkunde een nog compleet onontgonnen gebied. Naast donkerematerieonderzoek kunnen we gaan begrijpen hoe zwaartekracht werkt en wat de grenzen zijn van de algemene relativiteitstheorie. En donkere energie is er ook nog. Met donkere materie tasten we in het duister, maar er zijn wel concrete ideeën over wat deze vorm van materie kan zijn. Donkere energie, waardoor het universum versneld uitdijt, begrijpen we helemaal niet.

Er is dus nog veel te doen.

“Ja, en daarom is dit vakgebied ook zo spannend. Toen ik net begon, was het idee dat er een soort schatkaart was; dat duidelijk was waar je moest graven om je schat te vinden. Maar inmiddels hebben we overal gezocht en niets gevonden. De vraag is nu dus nog steeds: waar zijn de schatten? Die schatten zijn de antwoorden op de vragen wat de aard is van donkere materie en wat van donkere energie. En die antwoorden liggen nog compleet open. Het is nu aan ons om een nieuwe schatkaart te maken voor de volgende generaties onderzoekers.”

Gianfranco Bertone: Tussen twee oneindigheden. Veen Media, €24,99.