Deze week kende de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) 300.000 euro subsidie toe aan het BlackGEM-project. Hiermee hopen wetenschappers uiteindelijk de bronnen van zwaartekrachtgolven onder de loep te nemen.
De Virgo-detector in het Italiaanse Toscane.
EGO / VirgoAl jaren proberen wetenschappers zwaartekrachtgolven te detecteren. Dure observatoria, zoals LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië, werden gebouwd en luisterden langdurig naar de hemel. LIGO vanaf 2002 en Virgo vanaf 2007. Tevergeefs, want er werd tot nu toe nog niets gemeten.
Momenteel ondergaan LIGO en Virgo een upgrade die ze pakweg een factor 10 gevoeliger moeten maken. Bovendien krijgen de observatoria hulp uit Nederlandse hoek. Wetenschappers van de Radboud Universiteit Nijmegen werken momenteel aan BlackGEM, een verzameling van 15 optische telescopen die de zwaartekrachtobservatoria gaan assisteren op het moment dat er een zwaartekrachtgolf wordt gedetecteerd. Deze week ontving het project een subsidie van 300.000 euro voor de ontwikkeling van een koolstofvezel-frame.
In totaal kost de eerste fase van het project, waarin vijf telescopen ontwikkeld en gebouwd worden, zo’n 3 miljoen euro. Die financiering is met de toezegging van NWO rond, laat projectleider Marc Klein Wolt weten. Hij is universitair docent astrofysica van de Radboud Universiteit Nijmegen.
Golven in de ruimtetijd
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst door Albert Einstein voorspeld in 1916. Zijn algemene relativiteitstheorie stelt zwaartekracht voor als een vervorming van de ruimtetijd. Hoe zwaarder een object des te sterker is die vervorming. Twee extreem zware objecten, bijvoorbeeld zwarte gaten, die snel om elkaar heen draaien of botsen zouden bovendien meetbare golven in die ruimtetijd moeten veroorzaken. Het zijn deze golven – die met de lichtsnelheid door het universum reizen – waarnaar wetenschappers op zoek zijn.
Een voorstelling van hoe objecten met massa de ruimtetijd vervormen.
Johnstone via CC BY-SA 3.0Een zwaartekrachtgolf rekt de ruimtetijd als het ware heel even op als zij passeert. Volgens de theorie is die vervorming extreem klein, in de orde van 10-20 meter. LIGO en Virgo zijn ingericht om die minuscule veranderingen te detecteren. Dat doen ze met lasers die door twee kilometerslange buizen loodrecht op elkaar worden afgeschoten, op zo’n manier dat ze elkaar in het midden precies uitdoven. Een zwaartekrachtgolf zou een van die armen heel even iets langer maken waardoor de uitdoving niet meer werkt.
Twee zware objecten kunnen een rimpeling in de ruimtetijd veroorzaken.
ESO/L. Calçada via CC BY 4.0Maar dat is niet alles. Bronnen van zwaartekrachtgolven zou ook optisch zichtbaar moeten zijn. “Juist daarvoor wordt BlackGEM gebouwd”, zegt Klein Wolt. “We moeten zwakke ‘lichtflitsen’ kunnen zien op de plek waar bijvoorbeeld zwarte gaten botsen. Dat is waarschijnlijk maar een paar uur zichtbaar, dus je moet er snel bij zijn.”
Aan de hand van zo’n lichtflits kunnen wetenschappers veel preciezer bepalen waar de zwaartekrachtgolf vandaan komt, iets wat met LIGO en Virgo lastig is. Die plaatsbepaling is niet accurater dan een gebied van 400 keer de omvang van een volle maan. Naast een plaatsbepaling kan ook beter bestudeerd worden hoe deze uitbarstingen ontstaan.
Exclusief voor zwaartekrachtgolven
Als de vernieuwde Virgo- of LIGO-detectors straks een zwaartekrachtgolf mochten meten – voorspeld wordt dat er elke week zeker een paar passeren – dan wordt dat acuut doorgegeven naar de BlackGEM-telescopen op het La Silla-terrein van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht ESO in Chili. Deze worden dan gericht op het gebied waar de golf vandaan is gekomen. Klein Wolt en collega’s hopen dan een lichtbron te vinden die er eerder nog niet was: de bron van de golf.
Op deze hoge en droge hoogvlakte in Chili zijn de condities perfect voor sterrenkijken. De telescopen van het Nederlandse BlackGEM zullen hier verrijzen.
ESO/F. Kamphues“Belangrijk is dat we deze lichtflitsen kunnen onderscheiden van al het andere dat in het universum gebeurt”, zegt Klein Wolt. “Er zijn namelijk meerdere variabele lichtbronnen die we in onze opnames gaan zien, zoals dubbelsterren, supernova’s, veranderlijke sterren maar ook kometen die toevallig voorbij vliegen. Doordat we van te voren een kaart maken van al deze veranderende bronnen zouden we de lichtflitsen van zwaartekrachtbronnen moeten kunnen ontdekken.”
De Very Large Telescope in actie.
ESO/Y. BeletskyKlein Wolt zegt dat hij het grote voordeel van BlackGEM is dat hij exclusief gebruikt gaat worden voor het onderzoek naar zwaartekrachtgolven. “Met andere telescopen hebben we simpelweg niet genoeg waarneemtijd om alle veranderende bronnen aan de hemel in kaart te brengen. Dat duurt maanden. Bovendien, op het moment dat je een zwaartekrachtgolf detecteert kun je wel met de Very Large Telescope bellen [red: een van de krachtigste telescopen van het moment] om te vragen of ze hun telescopen daarheen draaien, maar dat duurt lang en het is de vraag of je dan voorrang krijgt boven andere metingen.”
Voor het eerst ogen
Met BlackGEM krijgen de zwaartekrachtdetectoren voor het eerst eigen ogen, waarmee de bronnen hopelijk gezien kunnen worden. Klein Wolt laat weten dat hun afdeling momenteel het enige actieve sterrenkundige instituut is in de samenwerking. “Tot een paar jaar geleden bestond het uit alleen maar natuurkundigen en die zijn voornamelijk geïnteresseerd in het detecteren van de zwaartekrachtgolven zelf. En dat gaat met BlackGEM veranderen.”
Toch lijkt het misschien een beetje raar dat er nu al telescopen worden ontwikkeld voor zwaartekrachtdetectoren die tot nu toe nog niets hebben gevonden. Wat als zelfs de verbeterde Virgo en LIGO-detectoren geen spoor van de golven vinden? “Die kans is klein, maar aanwezig,” zegt Klein Wolt. “Het kan dat de detectoren nog gevoeliger moeten worden of dat zwaartekrachtgolven toch anders werken dan we nu denken. Maar zelfs dan is BlackGEM niet voor niets gebouwd. Het in kaart brengen van zulke zwakke en variabele objecten is nog nooit gedaan voor de zuidelijke hemel. Dat gaat ongetwijfeld tot nieuwe ontdekkingen leiden.”
