Het onderzoeksinstituut Virgo, even onder Pisa, heeft wel iets weg van de Chinese muur. Stukken kleiner, maar toch indrukwekkend. Twee haaks op elkaar staande armen, drie kilometer per stuk, moeten vanaf volgend jaar de kennis over het heelal spectaculair gaan vergroten. Virgo is een telescoop, maar niet zomaar een. Hij is speciaal ontworpen om een soort golven te meten dat tot nu toe alleen maar indirect werd waargenomen: zwaartekrachtgolven.

‘Het opent een compleet nieuw terrein in de astronomie’, stelt prof. dr. Jo van den Brand, die namens de VU bij Virgo betrokken is. ‘Je moet je voorstellen dat we van het meeste dat zich in de ruimte bevindt, nog niets weten. We weten alleen iets van hemellichamen die elektromagnetische straling, zoals licht of radiogolven, uitzenden. Dat is naar schatting in maar één procent van de materie het geval. Van de rest weten we alleen indirect dat het er moet zijn.’

Voor Van den Brand is de speurtocht naar die onzichtbare donkere materie interessant. Wie een telescoop richt op het zwerk, kijkt in het verleden. Hoe verder weg je kijkt, hoe langer het licht dat je ziet erover heeft gedaan om de aarde te bereiken. Zo zien we de zon zoals hij acht minuten geleden was, de eerstvolgende ster zoals hij er in 2002 bij stond enzovoort. ‘In theorie moet je zo ver kunnen kijken als het heelal oud is: 13,7 miljard jaar. Alleen zijn licht en radiogolven van zo oud compleet verstoord.’ Met glimoogjes voegt Van den Brand toe: ‘Met Virgo kun je nog verder in het verleden kijken. We kunnen zo misschien eindelijk zien wat er kort na de oerknal is gebeurd met het heelal.’

Voor een telescoop is Virgo een raar ding. Niets richt een schotel naar omhoog. Niets wijst op een astronomische functie. Het doel van Virgo is om heel nauwkeurig de afstand tussen twee punten te meten. Zwaartekrachtgolven doen die afstand namelijk variëren (zie ‘Alles trilt, alles wankelt’). Je hoeft daarvoor niet omhoog te turen: de afstand op aarde zelf vibreert. ‘Nu is het nogal lastig om afstand zo nauwkeurig te meten’, stelt Van den Brand. ‘Daarom meten we twee afstanden die we met elkaar vergelijken. Verandert de ruimte in de ene richting wel, en in de andere niet, dan kun je het afstandsverschíl meten.’

Alles trilt, alles wankelt

Een meter is een meter. Dat weet het kleinste kind. Zou je kunnen terugstappen in de negentiende eeuw, dan zou natuurkunde inderdaad zo eenvoudig zijn. Maar het bleek te kort door de bocht. Afmetingen in de ruimte worden namelijk verstoord door hemellichamen: sterren, zwarte gaten, melkwegstelsels, enzovoort. Door die hemellichamen trekt de ruimte krom, en u kunt daardoor met recht uw ogen niet geloven als u wilt vaststellen waar aan de hemelbol sterren exact staan.

Einstein berekende begin twintigste eeuw dat de ruimte namelijk helemaal niet zo vormvast was als iedereen dacht. Recht is niet altijd recht; volgens Einstein is het krom. Dat moet u zich als volgt voorstellen: u neemt een laken, en u legt dat in het gras. Dat laken is dan een volledig plat vlak – voor het gemak letten we niet al te goed op kleine oneffenheden. Vervolgens legt u in het midden van het laken een sinaasappel. Er ontstaat dan een kuil in het laken. Het platte vlak is daar door de massa van de sinaasappel automatisch gekromd. Volgens Einstein is het met de ruimte net zo: zodra zich ergens een hemellichaam bevindt, dan ontstaat er een kuil in de ruimte. Alleen is de ruimte geen plat vlak, maar heeft hij drie dimensies. Dat Einstein niet zomaar wat kletste, bleek in 1919 toen tijdens een zonsverduistering werd vastgesteld dat de zon inderdaad het licht van sterren dat langs de zon scheert doet afbuigen. Einstein werd wereldberoemd met deze relativiteitstheorie.

Stel nu, dat u de sinaasappel gaat verplaatsen over het laken. Het laken zal dan wat gaan rimpelen. Voor de sinaasappel uit plooit het laken zich. Met andere woorden: hemellichamen plooien de ruimte, die krimpt en uitzet als was het een rimpelend laken. Die rimpelingen zijn wat Virgo meet: zwaartekrachtgolven. Het aardige is dat je daarmee óók de energie en materie kunt bestuderen die voor het blote oog en de radiotelescoop verborgen blijft: de 99 procent onzichtbare donkere materie en donkere energie. Die krult en kromt de ruimte immers ook.

Voor het meten gebruiken Virgo-technici lasers en kwalitatief hoogwaardige spiegels. Het principe daarvan is eenvoudig, maar de uitvoering is een hachelijke zaak, omdat de metingen onwaarschijnlijk nauwkeurig moeten zijn. ‘Als er een vliegtuig overvliegt, dan zien we dat terug in onze resultaten. De verschillen in afstand zijn zo klein, dat de apparatuur tot op de nanometer nauwkeurig moet zijn. ’Daarom is de VU ook betrokken geraakt, als enige Nederlandse universiteit’, vertelt Van den Brand trots. ‘Wij hebben veel ervaring met zulke gevoelige apparatuur. Van oorsprong was Virgo een Frans-Italiaans samenwerkingsproject.’ De eerste daadwerkelijke, maar nog grove metingen vinden deze winter plaats. Pas in 2008 is het instrument zover af, dat het de gewenste nauwkeurigheid heeft.

Nauwkeurig meten: ook een vak

Virgo is een enorm ingewikkeld project. Het principe van afstand meten met laser is niet zo moeilijk: je klokt hoe lang een lichtstraal doet over een afstand en deelt dat door de lichtsnelheid. Maar de rimpelingen in de ruimte zijn zo gering, dat Virgo wel erg nauwkeurig moet zijn: over een afstand van drie kilometer wordt de ruimte misschien de dikte van een atoomkern korter of langer. Zou de laserstraal door de atmosfeer gestuurd worden, dan verstoort de aanwezigheid van de lucht de meting al. Dat betekent dat Virgo meet in een hoogwaardig vacuüm van twee maal drie kilometer lang – een technisch hoogstandje. De laserstraal die heen en weer schiet, weerkaatst via met speciale coating behandelde silicaglas-spiegels. Zowel spiegel als coating zijn voor Virgo ontwikkeld om zonder verstoring te kunnen kaatsen. Maar het is nog niet goed genoeg: het laserlicht warmt de spiegels plaatselijk ongeveer 50 milligraad Celsius op en die gaan daardoor als lens fungeren – meting mislukt.

‘We willen nu de héle spiegel opwarmen om dat effect teniet te doen’, suggereert Van den Brand. Ook moeten de spiegels trillingsvrij worden opgehangen. Trillingsvrij is hier ook echt: helemaal zonder trilling. ’Alle seismische activiteit moet weg. Daartoe hangen de spiegels aan een draad, op hun plek gehouden met magnetische velden. De kaatsrichting is computergestuurd. En dan het vacuüm: om de buizen helemaal zonder waterdamp te krijgen zijn ze dagenlang opgewarmd tot 150 °C, en zijn ze gefundeerd alsof er een brug op moest komen.

Dat is allemaal nogal riant voor het bevredigen van wetenschappelijke nieuwsgierigheid. De industrie betaalt echter grif mee aan Virgo, want de industriële spin-off is minstens zo riant: spiegels, coating, antiseismische ophangconstructie en de vacuümkamertechniek worden inmiddels industrieel toegepast. En nu maar hopen dat Virgo straks ook echt meet waar het voor gebouwd is: dat de ruimte inderdaad trilt.