Onderzoek naar zwaartekrachtgolven vergt een lange adem

Beeld RV

Barry Barish won vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven. Daar zag het bij zijn aantreden als leider van het project niet naar uit. 'Dat was helemaal vastgelopen, terwijl het moet kunnen evolueren.'

Toen Barry Barish in 1994 gevraagd werd het LIGO-project te leiden, vroeg hij een maand bedenktijd. Het project, opgezet om de door Albert Einstein voorspelde zwaartekrachtgolven te meten, stond er slecht voor. Er zat geen voortgang meer in, er was geen geld en de onderzoekers spraken niet meer met elkaar. Er lagen twee rapporten, één over de organisatie en één over de techniek, en beide waren vernietigend.

Hij besloot het te doen, maar met een curieuze reden, geeft hij toe. "Tot dat moment was ik slechts zijdelings bij het project betrokken. Ik was hoogleraar op CalTech, het California Institute of Technology, een van de twee instellingen die het LIGO-project droegen - naast het MIT in Boston - en sprak er weleens met vakgenoten over. Maar verder wist ik er niets van. Ik heb die rapporten gelezen, nagedacht, met mensen gesproken, en na een maand zei ik ja. Niet omdat ik overtuigd was dat ik het moest doen. Nee, ik had geprobeerd mezelf ervan te overtuigen dat ik dit niet moest doen. Dat ik deze kar niet vlot zou kunnen trekken. Toen ik na een maand nog niet wist waarom ik het niet zou moeten doen, zei ik ja."

Ruim 23 jaar later kreeg Barish, samen met Kip Thorne en Rainer Weiss, de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun ontdekking van zwaartekrachtgolven. Vorige week was hij de hoofdgast op het jaarlijkse congres van de Nederlandse Natuurkunde Vereniging in Utrecht.

Tekst loopt door onder de afbeelding

Barry Barish. Beeld EPA

82 jaar is hij inmiddels. Maar dat geef je hem niet. Barish ziet er niet alleen jong uit voor zijn leeftijd. Als de persvoorlichter voorstelt om het gesprek te laten plaatsvinden op de trappen van het congresgebouw, gaat hij zonder morren op de grond zitten. Een innemende man. Maar over de chaos bij LIGO vóór zijn komst wil hij niet praten. Niet over de ruzies, niet over de ego's die allemaal op hun eigen eilandjes aan hun eigen ideeën werkten, niet over de gesloten cultuur. Tijdens een interviewsessie twintig jaar geleden op CalTech liet hij zich ontvallen dat die twee rapporten scherper en kritischer waren dan elk ander rapport dat hij onder ogen had gekregen. Maar nu zegt hij dat niet meer. "Dat was vóór mijn tijd. Ik heb niet met deze mensen samengewerkt, ik ga ze nu niet achteraf afvallen."

Albert Einstein had het een eeuw geleden al voorspeld. Zijn algemene relativiteitstheorie rekende af met het oude beeld van de zwaartekracht waarin massa's elkaar aantrekken. Volgens Einstein krommen massa's de ruimte, waardoor rechte banen in bochten of cirkels veranderen en planeten bijvoorbeeld gedwongen worden om de zon te draaien. De theorie voorzag ook dat bij heftige kosmische gebeurtenissen, zoals de botsing van zwarte gaten, een schokgolf door het heelal zou gaan. Net als de rimpelingen in een vijver waar een steen in is gegooid. Wanneer een zwaartekrachtgolf passeert, dijt de ruimte even uit. Of krimpt ze in.

Golven meten

In 1972 bedacht de Duitse fysicus Rainer Weiss hoe je zo'n golf kon meten: met twee kilometerslange buizen die haaks op elkaar staan en waarbinnen laserlicht met behulp van spiegels heen en weer wordt gekaatst. De spiegels zijn zo afgesteld dat de laserbundels zichzelf versterken. Een kleine afwijking, en het signaal valt weg. De Amerikaan Kip Thorne rekende later voor dat je zo zwaartekrachtgolven zou kunnen opvangen.

In theorie dan, zegt Barish. "Want we wisten nooit hoe precies de installatie uiteindelijk moest zijn. Aan welke specificaties de onderdelen moesten voldoen. Daarom was het van belang dat we een infrastructuur neer zouden zetten die flexibel was. Een project als dit moet kunnen evolueren. Als tijdens het onderzoek blijkt dat je oorspronkelijke idee ontoereikend is, moet je het ontwerp kunnen aanpassen, zonder dat je de infrastructuur moet afbreken. Daarom, zei ik toen ik aantrad, moet de basis goed zijn. Daar heb ik de National Science Foundation (NSF) van weten te overtuigen. Ons budget ging vijftig procent omhoog, van twee- naar driehonderd miljoen dollar. Dat extra geld gaf ons twee, drie jaar voorsprong op de concurrentie."

Tekst loopt door onder de afbeelding

Het LIGO-observatorium in Livingstone. Beeld Ligo

Het was een les die hij aan zijn vorige baan had overgehouden. Barish zou projectleider worden bij de Superconducting Super Collider (SSC), de deeltjesversneller die sinds de jaren tachtig werd gebouwd in de staat Texas en die nog groter en krachtiger zou moeten worden dan de versneller die nu bij Genève in bedrijf is. Maar die vooral steeds duurder werd. Nadat al twee miljard dollar was gespendeerd en de totale begroting was opgelopen tot twaalf miljard, trok het Congres oktober 1993 de stekker eruit. Barish: "De ervaring met de SSC had me geleerd dat ik de NSF duidelijk moest maken dat ook LIGO een project van zeer lange adem zou worden. Een project dat niet meteen resultaten zou leveren, maar wel van het begin af aan een stevige financiële basis moest hebben."

Modernisering

Wat hij ook van het begin af aan deed, was een modernisering doorvoeren. Hij verving de 'ouderwetse' gaslasers door de veel stabielere vastestoflasers. De mensen van LIGO werkten daar liever niet mee, omdat vastestoflasers onzichtbaar infrarood licht uitzenden, terwijl de deeltjesfysicus Barish niet anders gewend was dan werken aan materie die niet met het blote oog waarneembaar is, zoals protonen of elektronen.

Daarnaast automatiseerde hij het project. Een cruciaal aspect voor de detectie van zwaartekrachtgolven is de stabiliteit van de spiegels. Fysici zijn gewend om bij dit soort laseropstellingen de spiegels waarmee ze de lichtbundels sturen, stevig aan hun laboratoriumtafel te verankeren. Maar bij LIGO kon dit niet, de spiegels moesten immers mee kunnen bewegen als een zwaartekrachtgolf de ruimte even liet uitdijen. "Ze moeten dus vrij hangen, maar ook stabiel. Dat deden ze met een analoog controlesysteem - operators die voor de afstelling aan knoppen draaiden - maar dat heb ik meteen laten vervangen door een digitale aansturing, door computers. Ook dat was ik als deeltjesfysicus gewend te doen."

De stabilisering van de lasers vormde de basis voor het succes van LIGO. "Je merkt er zo niet veel van, maar de aarde trilt en beeft voortdurend. Dat was voor ons de grootste beperkende factor. In eerste instantie hebben we die met schokdempers opgevangen. Inderdaad, precies zoals de vering in een auto de schok opvangt als je door een kuil rijdt. De schok verdwijnt niet, maar de dempers smeren de piekbeweging uit zodat het een heel geleidelijk op-en-neer wordt. We hebben de beste veren van de wereld gemaakt en die verbeterden het detectievermogen met een factor tien miljard."

En toen kon u wachten op de eerste zwaartekrachtgolf?

"Nee, dat was nog niet goed genoeg. Het had gekund, maar we wisten eigenlijk wel dat de installatie voor een detectie nog een slag nauwkeuriger zou moeten worden."

Hoe heeft u dat bereikt?

"Met een systeem dat je kunt vergelijken met de koptelefoons die je soms in een vliegtuig krijgt om het achtergrondgeluid te dempen. Die helpen niet tegen incidentele geluiden, zoals het vallen van een glas, maar wel tegen de constante ruis van de motoren. Dat geluid kun je meten en omkeren zodat je het oorspronkelijke geluid uitdooft. Precies dat deden wij in de tweede fase van LIGO, Advanced LIGO. We registreerden het trillen van de aarde en die beweging doofden we voor de spiegels uit. Dat was de sleutel. De nauwkeurigheid ging met een factor honderd omhoog. Bedenk wel, die factor honderd geldt in alle richtingen: lengte, breedte en diepte. Het deel van het heelal dat wij op zwaartekrachtgolven konden aftasten, werd daardoor een miljoen keer groter."

Daardoor kwam de eerste detectie als een verrassing.

"Ja. Ik weet het nog goed, het was de vroege ochtend van 14 september 2015. We zaten nog in de week van de laatste controles. Dat is gebruikelijk. Als het klaar is, loop je nog één keer alles af voor een laatste finetuning. Totdat je de machine hebt zoals je hem hebben wilt. Daarna blijf je van die instellingen af. In die periode was het dus raak.

"We kregen wel vaker signaaltjes binnen, maar dit leek meteen serieuzer dan die andere. Maar we wisten niet zeker of dit ook een echte hit was, of dat het systeem ons voor de gek hield. We hebben alles nog eens gecheckt en dubbel gecheckt, en toen wisten we het. Dit was een zwaartekrachtgolf."

Heeft u nooit getwijfeld of de operatie een succes zou worden?

"Nee, eigenlijk niet. We zijn al die jaren op problemen gestuit, we hebben kritiek gehad, maar het was nooit van dien aard dat ik begon te twijfelen. Het was nooit een fundamenteel probleem. Sommige mensen geloofden niet dat het zou kunnen, maar die twijfel heb ik nooit gehad. We wisten natuurlijk niet of we ooit zo'n golf zouden meten. Daar zijn voorspellingen over gedaan, er is aan gerekend, maar het was aan de natuur of het zou lukken. Daar hadden wij geen controle over."

Zou dat een grote teleurstelling zijn geweest? Als zwaartekrachtgolven ongrijpbaar waren gebleken? Dan waren twintig jaren van uw carrière door het putje gegaan.

"Welnee. Ik ben een experimenteel fysicus. We hebben twintig jaar aan een machine gebouwd en hard gewerkt om hem aan de eisen te laten voldoen die we ons hadden gesteld. Ook als die eisen onvoldoende waren gebleken, was dit een opwindende onderneming. Ook dan had ik er met geweldig veel plezier aan gewerkt."

Zes zwaartekrachtgolven geregistreerd

De Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) bestaat eigenlijk uit twee observatoria, één in Hanford in de staat Washington en één in Livingston, Louisiana. Beide bestaan uit twee buizen van vier kilometer lengte, die haaks op elkaar staan. Het licht van een laser wordt in tweeën gesplist en beide bundels kaatsen een paar honderd keer op en neer in de buizen, totdat ze met elkaar mengen. Interfereren, heet dat in de fysica. Als de afgelegde weg - meer dan duizend kilometer - precies gelijk is, versterken de twee elkaar. Zo niet, dan doven ze elkaar (gedeeltelijk) uit.

Omdat een minimale uitdoving al aan het signaal is te zien (en omdat het laserlicht een golflengte heeft van miljoensten van een millimeter), 'ziet' LIGO het al als de vier kilometer lange buis een minieme fractie van een millimeter korter of langer wordt (10 tot de -19 meter, om precies te zijn; ofwel het tienduizendste deel van de diameter van een proton).

Er zijn twee observatoria om via middeling de ruis uit het signaal te kunnen halen. En om, via driehoeksmeting, te achterhalen waar de golf vandaan kwam. Die driehoeksmeting gaat nog beter nu sinds een jaar Virgo in gebruik is genomen, de Europese zwaartekrachtgolfdetector in de buurt van Pisa.

De detectoren hebben voor zover bekend zes zwaartekrachtgolven geregistreerd. Vijf keer was die golf ontstaan door de botsing van twee zwarte gaten. De zesde, op 17 augustus 2017, was het gevolg van het samensmelten van twee neutronensterren.

Lees ook: Donkere materie is zeker aanwezig in het heelal, maar niet overal

Na decennia van scepsis kreeg de twijfel aan het bestaan van donkere materie deze week de nekslag. Het bewijs wordt geleverd door een sterrenstelsel waarin het ontbreekt.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden