What do we want? Gravitatiegolven! When do we want it? Zo snel mogelijk!

De hedendaagse natuurkunde is als een oude legpuzzel op de stoffige zolder van je oma die je bijna compleet hebt, maar er ontbreken nog een paar stukjes. Je weet dat ze er ergens moeten liggen, in donkere hoekjes achter de spinnenwebben en oude bordspellen, dus het is wel effe zoeken. Het bestaan van gravitatiegolven is een van die stukjes en wetenschappers hebben het na twee decennia bijna gevonden. Ik heb zelf ook een jaartje mee mogen doen aan deze zoektocht, ten behoeve van mijn Masterscriptie. En hoewel inderdaad soms best stoffig, was het vooral hartstikke interessant. Daarnaast ben ik nu wel mooi in de gelegenheid jou uit te leggen, met in het achterhoofd de BICEP2-schijndetectie van een paar weken geleden, waarom gravitatiegolven zó moeilijk zijn te spotten. En waarom het zo'n onwijze big deal is als dit wel gebeurt.

Om iets duidelijker uit te leggen wat zwaartekrachtsgolven zijn, moet ik even terug naar de basis en antwoord geven op een vraag die me wel vaker wordt gesteld: wat is zwaartekracht? En hoe wordt het overgebracht? Deze op het oog eenvoudige vraag wordt iets minder eenvoudig beantwoord door de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein.

Beeld je eens in: een trampoline. In het midden daarvan leggen we een bowlingbal. Vervolgens leggen we er een pingpongballetje bij. Deze zal geneigd zijn steeds sneller naar het midden toe te "vallen", naarmate het in de buurt komt van de bowlingbal.

Dit is hoe de zwaartekracht volgens Algemene Relativiteitsstheorie werkt, maar dan afgebeeld in twee ruimtedimensies (de platte trampoline) in plaats van de drie die wij ervaren. Het oppervalk van de trampoline is in dit voorbeeld de ruimte-tijd, die volgens de theorie gekromd wordt door aanwezige massa (de bollen op de trampoline).

De Algemene Relativiteitstheorie verklaart dat niet alleen het pad van andere, massieve lichamen, maar ook licht wordt afgebogen. De zwaartekracht wordt dus overgebracht via de structuur van onze ruimte. Slingeren we de bowlingbal van 3 hoog de trampoline op, zal het springvlak flink tekeergaan.

Zo ook met zwaartekracht. Bij een hevige verandering van aanwezige massa zal ook het zwaartekrachtsveld an sich veranderen. En dit kan als netto resultaat, bij bijvoorbeeld neutronensterren, het uitzenden van gravitatiegolven tot gevolg hebben. Zwaartekracht hoeft dus niet ¨statisch¨ te zijn, zoals wij ´m ervaren op good ol´ Earth, maar het zwaartekrachtsveld kan ook veranderen.

Zo kan je je ook voorstellen wat gravitatiegolven zijn – 'golven' in deze ruimtetijd, een miljoen keer kleiner dan een atoom. In feite kun je ze zien als een geluidsgolf, maar in plaats van lucht die uitzet en samentrekt, is het de ruimte zelf die dat doet. En de gevolgen van directe waarneming zijn gigantisch.

En wel hierom: de meest aannemelijke theorie over het begin van ons universump, de Big-Bangtheorie, draagt nog een paar kinderziektes met zich mee. Een daarvan is het 'horizonprobleem'.

Stel, je kijkt een video van iemand die een ballon opblaast, maar dan achterstevoren.  Dan verwacht je dat aan het begin van de video de ballon helemaal leeg is, toch? Zo kijken we met onze rekenbril ook naar het heelal en de Oerknal. Door naar het eerste licht van het universum te kijken, kijken we in feite terug in de tijd tot het begin van het universum. Maar daar is iets geks mee aan de hand. Om de analogie van de ballonvideo aan te houden, zien we als de video helemaal teruggespoeld is, dat de ballon in het begin al een beetje was opgeblazen. En dus helemaal niet leeg.

Om dit kwaaltje te genezen, heeft natuurkundige c.q. held Alan Guth de inflatietheorie geformuleerd: tussen zo'n 10^-36 en 10^-32 seconde na de Oerknal zou het heelal sneller hebben uitgezet dan het licht, wat verklaart waarom de ballon niet leeg lijkt. Hij was het bij aanvang wel, maar zwelde zo snel op dat het niet te zien is voor het blote oog . Zie het zo: tijdens inflatie en daarna was er geen plek voor licht. Tot het moment dat de ruimte genoeg uitgezet was dat er wel ruimte voor het allereerste licht in het universum was, en dat moment kunnen we zien in de vorm van kosmische achtergrondstraling – een afdruk in het heelal van het eerste moment dat licht vrij kon bewegen.

Deze afdruk bestaat dus uit het eerste licht dat vrij kon bewegen in de Kosmos, en komt van zo´n 380.000 jaar na de Oerknal. Als ons Universum 40 jaar oud zou zijn, is dit een foto ervan toen ze 10 uur oud was. We kijken hier dus eigenlijk naar een babyfoto van de wereld! En het zonnestelsel. En de melkweg. En eigenlijk alles in het universum.

Hieronder zie je de de babyfoto; een indrukwekkend infrarood ruimtepanorama van de kosmische achtergrondstraling van het Heelal:

De kinderziekte waar ik het over had, is in deze babyfoto terug te zien. Dit is als het ware de binnenkant van de ballon: de achtergrondstraling. Over de gehele hemel gemeten, is de achtergrondstraling namelijk bijna overal hetzelfde. Maar net niet. De kleurverschillen die je ziet, stellen een verschil in temperatuur van slechts 0,0002 graden voor. Dat doet vermoeden dat al deze lichtdeeltjes tot een bepaald punt ver na de Oerknal nog een geheel vormden (een plasma) dat bijna overal exact dezelfde temperatuur had.

Bij een sterke overgang van temperatuur (kleur in de foto) zal één op de dertig miljoen lichtpakketjes op een bepaalde manier gepolariseerd zijn door zwaartekrachtsgolven. Deze zogeheten Primordial Gravitational Waves zijn een restproduct van de inflatie. Je zou ze de zwangerschapsstriemen van de Big Bang kunnen noemen. Als we deze zouden detecteren, zou dat de inflatietheorie heel erg aannemelijk maken. Geestig genoeg kunnen we aan de babyfoto ook zien of er sprake was van deze striae. Als we er namelijk een soort hypermodern Instagram-filter overheen gooien, kunnen we zien hoe het licht dat bij ons binnenkomt is gepolariseerd: Dat levert ons de volgende, bewerkte babyfoto op:

Dit polarisatiepatroon zou bewijs zijn voor de aanwezigheid van zwaartekrachtsgolven, zoals een wit condensspoor in de lucht vaak betekent dat er onlangs een vliegtuig over je heen is geraasd. Vorig jaar dacht men op basis hiervan, middels metingen van de Amerikaanse telescoop BICEP2, de aanwezigheid van een zwaartekrachtsgolf te hebben vastgesteld, maar helaas. Een paar weken geleden bleek dat er een ongelukkige samenhoping van stofdeeltjes en niet een gepasseerd vliegtuig was gemeten. Echter betekent dat slechts dat er nog geen bewijs is gevonden en dus ​NIET dat zwaartekrachtsgolven an sich niet zouden bestaan.

Een andere manier om deze Wally van de wetenschap waar te nemen, is met een interferometer:

Dit zijn gigantische, vaak L-vormige gangen, waarvan aan de uiteinden high-tech spiegels zijn opgesteld. Een onwijs nauwkeurige laserstraal wordt in tweeën gesplitst en beide gangen ingestuurd. Na een hele poos op een neer bouncen worden beide stralen weer herenigd en het signaal opgevangen. Als er niks aan de hand is met de ruimte-tijd waar beide stralen doorheen gingen, zouden ze bij samenkomen weer het oorspronkelijke signaal van de laser moeten geven.

Vaak blijkt dit niet zo: ze lopen niet meer in "fase". Dit fenomeen noemen we interferentie. Aanwezige gravitatiegolven kunnen een faseverschuiving veroorzaken, maar het is erg moeilijk een te herkennen in het signaal door alle aanwezige achtergrondruis. De spiegels zijn zo gevoelig dat kleinste seismologische actitiveit al roet in het eten kan gooien. Er is zelfs rekening ​gehouden met rondwa​aiende takken in de buurt van de detector. Door al deze ruis is het dus een beetje zoeken naar een scheet in een jacuzzi.

Het team achter de grootste interferometer in Europa (​Virgo in Italië) werkt nauw samen met teams uit Amerika en binnenkort zelfs Japan. Omdat alle partijen in razend tempo hun meetspullen aan het upgraden zijn, zijn ze ervan overtuigd dat binnenkort de eerste polonaise kan worden ingezet om de eerste directe waarneming te vieren.

Deze zal, naast een collectief orgasme in de wetenschapswereld, voor heel wat opschudding zorgen: naast het bekrachtigen van de inflatietheorie, zal de Algemene Relativiteitstheorie zelf namelijk ook aan een nieuwe beproeving onderlegd worden. En Albert Einstein, ook bekend van allerlei ​inspirerende filosofische oneliners, zal in het hiernamaals een vreugdesprongetje doen. Zijn Magnum Opus kan namelijk wel een opstekertje gebruiken, want het heeft nog geen enkele directe toepassing in je dagelijkse leven, op GPS na. Maar belangrijker nog (vanuit wetenschappelijk oogpunt, althans) is de theorie bij zeer intense zwaartekracht nog nooit echt getest. Met de informatie van gedetecteerde gravitatiegolven kun je de Algemene Relativiteitstheorie (ART) wél bij hele zware massa's toetsen. En daarmee is het een primeur.

Mede doordat de ART nog nooit op dit vlak getest heeft kunnen worden, is er nog nooit een Nobel-Prijs voor uitgereikt. Albert Einstein heeft in zijn leven zelf wel deze prijs gewonnen, maar voor onderzoek naar iets heel anders: het foto-elektrisch effect. (Helaas voor hem heeft hij zijn opbrengsten daarvoor direct kunnen overmaken naar zijn toenmalige ex-vrouw, omdat hij er een buitenechtelijke scharrel op nahield in de vorm van zijn eigen nicht. Dat waren de tijden.)

Met zijn ontdekking van het foto-elektrisch effect heeft Einstein ook aan de basis gestaan van de kwantummechanica. En laat dit nou net de tak van de fysica zijn die helemaal niet te verenigen valt met de Algemene Relativiteitstheorie. Een detectie zou een van de eerste, fragiele brug slaan tussen deze twee bolwerken en daarmee essentieel zijn voor The Theory of Everyhing: een allesbeschrijvende theorie en Heilige Graal van de Natuurkunde (niet de film). Samen met het bewijs voor de inflatietheorie is dit waarom de detectie van zwaartekrachtsgolven zo´n immense happening zal zijn.

Daarom heeft het immense implicaties voor ons begrip van de Kosmos. Daarnaast genereren die interferometers enorme hoeveelheden data waarmee leuk geknutseld kan worden. Zo kan er bij detectie van zo'n zwaartekrachtsgolf ook gelijk gezien worden waar-ie vandaan komt (bijvoorbeeld van binaire zwarte gaten) en kunnen we met wat creatief boekhouden 'zien' waar er precies neutronensterren en/of zwarte gaten verliefd om elkaar heendartelen om een binary te vormen. Of bijvoorbeeld, daaropvolgend, een betere schatting krijgen voor de leeftijd van het Heelal. Zwaartekrachtsgolven kunnen we dus eigenlijk zien als een soort Zwitsers zakmes, maar dan een waar alleen fysici mee om kunnen gaan .

Het lijkt met al deze projecten nog maar een kwestie van tijd voordat dit specifieke puzzelstukje is gevonden. En daarna gaan we lekker op zoek naar het volgende stukje, net zo lang tot de hele zolder is opgeruimd en puzzel compleet is. Ik had trouwens een voldoende.