Luisteren naar het universum

De oerknal. Je stelt je misschien voor dat het vooral een ongelofelijk harde klap was. Fout. Deze vergelijking gaat om meerdere redenen niet op. Ten eerste was er geen sprake van een klassieke explosie die op een plek begint en zich met geweld een weg naar buiten baant. Nee, de oerknal was in feite overal. Ten tweede is de ruimte vacuüm en een harde knal kan zich hierin niet voortplanten.

Toch proberen wetenschappers vanaf 2035 met de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) het ‘geluid’ van de oerknal op te vangen of preciezer, van de fractie van een seconde ná de oerknal. Een inmiddels breed geaccepteerde theorie is dat het universum toen met een duizelingwekkende snelheid uitdijde. Iets minder breed geaccepteerd is dat deze zogenoemde inflatieperiode nog altijd ‘hoorbaar’ is. LISA doet dat niet via geluidsgolven, maar via zogenoemde zwaartekrachtgolven die de (lege) ruimte zelf aan het trillen brengen.

Venster op het heelal

Luisteren naar de oerknal is een taak van LISA die tot de verbeelding spreekt, maar het geavanceerde observatorium gaat veel meer doen. Via zwaartekrachtgolven gaat de ruimtedetector naar allerhande zwarte gaten speuren, van exemplaren met enkele keren de massa van de zon tot monsters die miljoenen keren zwaarder zijn. LISA zoekt ook naar zogeheten oer-zwarte gaten in het vroege universum en moet neutronensterren en witte dwergsterren in de Melkweg detecteren. En dan bestaat er de kans dat LISA iets volledig nieuws ontdekt: bronnen van zwaartekrachtgolven die nog níet in de boeken staan. Kortom, de ruimtedetector opent een volledig nieuw venster op het universum.

De eerste detectie van zwaartekrachtgolven, nu bijna tien jaar geleden, was een wetenschappelijke sensatie. Met de twee ultragevoelige detectoren van LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de Verenigde Staten pikten astronomen de botsing van twee verre zwarte gaten op. Die gewelddadige botsing had de zogeheten ruimtetijd (in feite het weefsel waaruit het universum bestaat) meetbaar aan het rimpelen gebracht. Het doorgaans minuscule effect werd een eeuw geleden door Albert Einstein voorspeld. Zijn algemene relativiteitstheorie stelt dat de zwaartekracht de ruimte niet alleen kan buigen, maar ook laat deinen, als het oppervlak van een vijver waarin je een steentje gooit. Dat gebeurt bijvoorbeeld wanneer twee zeer zware objecten, zoals zwarte gaten, om elkaar heen draaien.

De LIGO-detectoren, en ook de Europese Virgo-detector, registreren doorgaans zwarte gaten van enkele tientallen zonsmassa’s; zwaardere exemplaren (die wel bestaan) zijn echter onhoorbaar. Die genereren weliswaar sterke rimpels in de ruimtetijd, maar hun ‘geluid’ in feite te laag voor deze observatoria. LISA is wél gevoelig hiervoor. De ruimtedetector ‘luistert’ naar zwaartekrachtgolven met een frequentie van 0,0001 tot 0,1 Hz en kan zo in het hele universum zwarte gaten van de grootste categorie vinden, tot honderden miljoenen zonsmassa’s.

Doorzichtig

Iets wat astronomen met klassieke telescopen onherroepelijk tegenkomen als ze extreem diep het heelal in turen is de zogenoemde kosmische achtergrondstraling. In feite is dat wat is overgebleven van het moment dat het universum doorzichtig werd, zo’n 380.000 jaar na de oerknal. Tot die tijd was de kosmos zo heet dat protonen, elektronen en fotonen een soort zinderende oersoep vormen. Pas toen het universum ver genoeg uitdijde en afkoelde, vormden zich atomen en konden lichtdeeltjes onbelemmerd reizen: het universum werd doorzichtig. Hierdoor missen we in feite het eerste stuk in de tijdlijn van het heelal: dat van de oerknal tot aan 380.000 jaar.

De kosmische achtergrondstraling is de spreekwoordelijk nevel tussen ons en het begin van het universum, maar daar heeft LISA geen last van. Om in de eerdere analogie te blijven: je kunt in de mist niets zien, maar luisteren gaat nog prima.

Oer-zwarte gaten

Wat kunnen astronomen vinden in die allereerste honderdduizenden jaren van het universum? Wellicht dus zwaartekrachtgolven van de inflatieperiode. Maar misschien ook signalen van de eerste plekken waar de oersoep van protonen en elektronen samenklonterde onder invloed van zwaartekracht. Volgens de theorie is het mogelijk dat toen, lang voordat er sterren en sterrenstelsel waren, al zwarte gaten ontstonden.

Gijs Nelemans, astrofysicus van de Radboud Universiteit Nijmegen, zegt dat de relatief kleine zwarte gaten die ontstaan uit opgebrande sterren, kunnen samensmelten tot steeds grotere exemplaren, maar dat er met 13,8 miljard jaar simpelweg te weinig tijd in het universum was om zo exemplaren van miljoenen zonsmassa’s te creëren. Zwarte gaten komen elkaar in feite niet vaak genoeg tegen. Als ze bestaan, dan vormen oer-zwarte gaten een soort snelle route naar de zwaargewichten die we vandaag de dag zien.

Missende materie

Naast een verklaring voor de superzware zwarte gaten, kunnen oer-zwarte gaten een rol spelen in de oplossing van een ander prominent probleem in de astronomie, namelijk dat van donkere materie. Het komt erop neer dat alle materie die we met telescopen zien (zoals sterren en gas) niet goed rijmt met de bewegingen van sterrenstelsels, zoals de Melkweg. Sterrenstelsels draaien zó snel rond dat ze in feite uit elkaar zou moeten vliegen als er niet veel meer materie (en dus zwaartekracht) was. Zoals het er nu naar uitziet is zo’n 85 procent van de materie zoek; deze missende substantie is bekend geworden als donkere materie.

Al jaren zoeken wetenschappers naar donkere materie. Vaak in de vorm van een tot nu toe onbekend deeltje, maar het zou ook kunnen dat missende materie verstopt zit in zwarte gaten die hun oorsprong vinden in de oer-zwarte gaten. “Deze oude theorie duikt weer op omdat LISA voor het eerst dit soort oer-zwarte gaten kan vinden”, zegt kosmoloog Ema Dimastrogiovanni van de Rijksuniversiteit Groningen. “Bovendien is juist dit observatorium gevoelig voor signalen van relatief lichte oer-zwarte gaten die een groot deel van de donkere materie kunnen verklaren. Dat vind ik een van de spannendste mogelijkheden van deze missie.”

Driehoekige formatie

Hoe bouw je zo’n ‘microfoon’ die signalen van net na oerknal opvangt? LISA is net als zwaartekrachtgolfdetectoren op aarde een zogenoemde interferometer die met behulp van lasers minuscule lengteverschillen in de ruimtetijd opspoort. De detector bestaat uit drie ruimtesondes, die samen in een gigantische driehoekige formatie door de ruimte bewegen. Op een afstand van 2,5 miljoen kilometer houden ze elkaar nauwlettend in de gaten.

De precieze van LISA is ongekend. Het observatorium pikt over een lengte van 6,5 keer de afstand tussen de aarde en maan verschillen op van een picometer (10^-12 meter, ofwel minder dan de diameter van een atoom). Zelfs de kleinste verstoring kan dit experiment verpesten. De spaarzame stofdeeltjes die LISA tegenkomt in de ruimte bijvoorbeeld, maar ook de trage rotatie van de ruimtesondes die nodig is om de zonnepanelen op de zon gericht te houden. Ingenieurs balanceren de ruimtesonde minutieus uit, want iets te veel massa aan een kant van de sondes trekt het experiment al uit het lood.

Technisch gezien is LISA uitdagend, maar de wetenschappelijke potentie is groot. In feite bouwen we met LISA meteen een soort Extremely Large Telescope voor zwaartekrachtgolven, zegt Nelemans, verwijzende naar de grootste telescoop ooit die nu in Chili wordt gebouwd. Twijfels over de technische haalbaarheid werden in 2016-2017 weggenomen door de succesvolle testmissie LISA Pathfinder. Begin dit jaar keurde ESA de ruimtemissie officieel goed. Vrijwel niets staat de in 2035 geplande lancering van de meest gevoelige microfoon ooit in de weg.