Naar de content

'Zwaartekrachtgolven voelden te mooi om waar te zijn'

Hoe een kosmische knal Barry Barish een Nobelprijs opleverde

ESO/L. Calçada/M. Kornmesser via CC BY 4.0

De eerste detectie van zwaartekrachtgolven in 2015 leverde twee jaar later al een Nobelprijs op. Toch was de aanloop naar de spectaculaire ontdekking lang. Daar kan Barry Barish – een van de winnaars van die prijs – over meepraten. NEMO Kennislink spreekt de voormalig directeur van het LIGO-observatorium.

25 april 2018

Op 14 september 2015 werd de aarde geraakt door een kosmische donderklap: twee samenklappende zwarte gaten op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar veroorzaakten een aantal zogenoemde zwaartekrachtgolven. Niemand merkte daar iets van, ook Barry Barish niet. Onder leiding van deze natuurkundeprofessor van de Californische universiteit Caltech waren in de twintig jaar daarvoor in de Verenigde Staten twee gigantische detectoren opgetrokken om deze minuscule rimpelingen te meten. Die nacht slaagden ze daar voor het eerst in.

Impressie van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien en uiteindelijk samensmelten. Die gebeurtenis veroorzaakt meetbare zwaartekrachtgolven.

 LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

De meting van LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) was glashelder en volgde na een lange reeks van verbeteringen aan de detectoren: twee immense laseropstellingen die met een ongekende precisie speuren naar minuscule trillingen in de ruimtetijd. De LIGO-detectoren zijn een klein technisch wonder dat een volledig nieuw wetenschappelijk vakgebied opent. We ‘horen’ gebeurtenissen, zoals botsende zwarte gaten, zonder dat we ze met een telescoop zien.

Toch hing het LIGO-project begin jaren 90 even aan een zijden draadje. Geldschieter National Science Foundation dreigde toen de stekker uit het miljoenenproject te trekken, mede vanwege persoonlijke spanningen hoog in de LIGO-organisatie. Iemand moest schoon schip maken en Barish werd gebeld. Hij zou de geschikte persoon zijn met zijn ervaring in grote deeltjesfysica-projecten. Hij werd directeur, stelde orde op zaken en mocht daardoor vorig jaar delen in de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven, samen met Rainer Weiss en Kip Thorne.

Barish, een fitte tachtiger, was deze maand op het FYSICA-congres in Utrecht. NEMO Kennislink sprak met hem over het gigantische LIGO-project, de bizarre eerste detectie van zwaartekrachtgolven en het winnen van de Nobelprijs.

Het LIGO-project zat in zwaar weer toen u er in 1994 directeur werd. Wat deed u om het weer op de rails te krijgen?

“Het eerst wat ik deed was het verhogen van het budget van 190 miljoen dollar naar ongeveer 300 miljoen dollar. Dat was volgens mij een vereiste om het project tot een goed einde te brengen.

Met dat extra geld konden we bijvoorbeeld nieuw personeel aannemen. In het originele plan waren de detectors – op zeer afgelegen plekken in de Verenigde Staten – nauwelijks bemand. Er was misschien net genoeg geld voor een bewaker. Ik zei: dat moet anders. We hebben op ieder van de twee locaties 25 tot 30 mensen nodig. Niet personeel dat slechts op de knop drukt, maar echte experts die het apparaat door en door kennen en ontwikkelen.”

Een van de twee Amerikaanse LIGO-detectoren in Hanford, Washington. Eenzelfde detector staat in Livingston, Louisiana. Bovendien bundelt LIGO zijn krachten met Virgo, een vergelijkbaar observatorium in Noord-Italië.

 LIGO via publiek domein

“Daarnaast was duidelijk dat de detectors verschillende grote upgrades zou krijgen om de benodigde precisie te behalen. Met de eerste versie, initial LIGO zouden we geen zwaartekrachtgolven meten, tenzij we geluk hadden. Upgrades zouden alleen betaalbaar zijn als we de infrastructuur van de eerste detector konden gebruiken. We keken daarom meteen naar wat onze ‘droomdetector’ zou zijn, en paste daar het ontwerp van de eerste detector op aan.

Tot slot keken we technologisch zo ver mogelijk vooruit. We zouden meteen gebruik maken van een voor die tijd vooruitstrevend digitaal controlesysteem. En we zouden niet de gangbare gaslaser gebruiken, maar meteen een vroege versie van de geavanceerdere zogenoemde vastestoflaser.”

Een eeuw zwaartekrachtgolven

1916: Albert Einstein voorspelt het bestaan van zwaartekrachtgolven. Hij gelooft niet dat we ze ooit zullen detecteren. 1969: Wetenschapper Joe Weber claimt zwaartekrachtgolven te meten met grote aluminium cilinders. De resultaten zijn niet reproduceerbaar. 1960-70: Het idee ontstaat om zwaartekrachtgolven te meten met een gevoelige laseropstelling, een interferometer. 1988: Er is groen licht (en geld) voor de ontwikkeling van een grote interferometer in de Verenigde Staten. 1994: LIGO is organisatorisch in zwaar weer geraakt. Barry Barish moet het project uit het slop halen. 2002: LIGO is af en begint te meten. 2008: LIGO maakt zich op voor een grote upgrade, die de detector tien keer gevoeliger moet maken. 2015: Advanced LIGO is af en begint metingen. 2015: LIGO meet de eerste zwaartekrachtgolven, afkomstig van twee samensmeltende zwarte gaten. 2017: Nobelprijs voor de Natuurkunde naar Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven. 2017: De Europese Virgo-detector voegt zich bij de twee LIGO-detectoren. 2018: De bestaande detectoren worden steeds gevoeliger. Wereldwijd zijn verschillende detectoren in ontwikkeling.

Wat vindt u persoonlijk het knapste stukje technologie binnen LIGO?

Na even nadenken: “Er zijn zoveel dingen. We hebben de beste laser in de wereld ontwikkeld, met een hoog vermogen en toch extreem stabiel. De spiegels die de laserstralen heen en weer kaatsen zijn fantastisch, even goed of misschien zelfs beter dan spiegels in grote telescopen. Het seismische systeem, dat trillingen in de aarde absorbeert: zonder die installatie hadden we de detectie nooit gedaan. Misschien is het meest knappe nog wel de schaal waarop al deze apparaten samenwerken. Ik kan me een interferometer – met alle trucjes die wij toepassen – voorstellen op een optische tafel in een laboratorium. Maar hetzelfde op een schaal van vier kilometer? Dat is verbluffend.”

In 2005 trok u zich tijdelijk terug als directeur van LIGO. Geloofde u toen dat een detectie dichtbij was?

“Nee. We waren op dat moment al jaren aan het meten met de eerste versie van LIGO, en werkten aan de upgrade naar Advanced LIGO. In 2005 was het definitieve ontwerp bijna klaar, maar we moesten nog wachten op bijbehorende financiering. Die goedkeuring zou nog zeker vier jaar op zich laten wachten. Ik besloot op dat moment een lange sabbatical te nemen, met het voornemen terug te komen wanneer de nieuwe detector klaar was. Ik was in die periode nog wel zijdelings bij het project betrokken, maar vanaf 2012 stopte ik weer al mijn tijd in LIGO.”

Op 14 september 2015 detecteerde LIGO voor het eerst zwaartekrachtgolven, van het samensmelten van twee zwarte gaten. De detector stond net aan, geloofde u meteen wat u zag?

“O, nee! Toen het signaal werd gemeten was het 2:50 uur in Californië. Ik lag te slapen. Maar toen ik de volgende morgen mijn e-mail opende waren er meer berichten dan gebruikelijk. Wetenschappers in Duitsland merkten het signaal als eerst op – het was daar ochtend tijdens de meting – en er werd al druk over en weer gemaild. In de ruwe data was die prachtige vorm van het signaal meteen duidelijk. Velen zeiden dat ze toen al hun eureka-moment hadden. Ik niet. Het voelde te goed om waar te zijn. Mijn gevoel leek meer op paniek.

Het ‘geluid’ van twee samensmeltende zwarte gaten. Het signaal dat door LIGO is opgepikt bestaat uit een korte puls die snel hoger wordt. Dit is precies de voorspelling voor zwaartekrachtgolven van twee zwarte gaten die steeds sneller om elkaar heen draaien, samensmelten, en stil worden. Het zwarte gat dat hierbij ontstaat produceert in zijn eentje namelijk geen zwaartekrachtgolven meer.

Ik dacht alleen maar, wie houdt ons voor de gek? Of doen we dat zelf? Het probleem was dat LIGO net aanstond, en we kenden het instrument nog niet goed. Er zitten allerlei ‘actieve’ systemen in, die onder andere trillingen van buiten onderdrukken. Dit soort systemen zouden misschien artefacten produceren. Om zeker te weten dat dit niet het geval was moesten we het apparaat nog zeker een maand laten draaien.

Een tweede zorg was dat iemand de data ‘geplant’ zou hebben. Een kwaadaardige promovendus, of iemand van buiten. We vroegen ons af of er een manier was waarop iemand bij de data kon komen. We hebben met een kleine groep van technische experts de data helemaal terug gevolgd naar de detectors, en er werd geen enkel spoor van fraude gevonden. Het moest wel waar zijn.”

Blik op een vier kilometer lange arm van de LIGO-detector in Hanford, Verenigde Staten. In dit betonnen omhulsel loopt een vier kilometer lange vacuümbuis waardoor een krachtige laserstraal schijnt.

 Jeff Keyzer via CC BY-SA 2.0

Het duurde toen nog een paar maanden voordat het resultaat naar buiten kwam, in februari 2016.

“Het checken van de data duurde ongeveer een maand, het was toen midden oktober. Daarna begon de echte analyse pas, het interpreteren van de data, wat ook ongeveer een maand duurde. In december wilden we het artikel inleveren bij de reviewers van het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters, maar we misten de deadline. Waarom? Probeer maar eens met duizend wetenschappers het eens te worden over een tekst… Noemden we dit een ‘observatie’ of een ‘ontdekking’? Uiteindelijk hadden we overeenstemming, maar dat duurde lang.

Ondertussen volgende op 26 december een tweede detectie, en dat haalde voor mij de laatste twijfel weg. We waren echt zwaartekrachtgolven aan het meten.”

Afgelopen jaar kreeg u de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Komt u nog aan wetenschap toe?

Winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2017: Rainer Weiss, Barry C. Barish & Kip S. Thorne.

 Nobel Media 2017

“In dat opzicht ben ik volledig verlamd. Er zijn zoveel aanvragen voor interviews en lezingen. Dat is vervelend, maar ik kan moeilijk klagen over het winnen van een Nobelprijs, haha.”

Nog steeds worden de detectors gevoeliger. Ook met het toevoegen van de Virgo-detector in Italië. Vinden we straks meer van hetzelfde of geheel nieuwe bronnen van zwaartekrachtgolven?

“Ik hoop op volledig nieuwe bronnen, niet alleen nog meer samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren. Ik heb altijd gedacht dat we dingen moeten vinden die we niet verwachten. ‘Zwaartekrachtgolf-astronomie’ is zo fundamenteel anders dan alles wat we tot nu toe deden. Het is moeilijk te voorspellen wat we dan vinden. Sowieso ‘horen’ we straks met gevoeligere detectoren een veel groter gebied.

Ik hoop dat dit onderzoeksveld zich ontwikkelt zoals het vakgebied waar ik eerder in werkte: neutrino-fysica. Inmiddels zijn er over een lange periode vier Nobelprijzen naar neutrino’s gegaan voor de ontdekkingen van de verschillende soorten neutrino’s en hun kosmische bronnen. Het leverde een nieuwe kijk op het universum op. Eigenlijk denk ik dat het vakgebied van zwaartekrachtgolven nog veel rijker zal zijn.”

Is het slim om honderden miljoenen euro’s uit te geven aan projecten die misschien geen wetenschappelijke resultaat opleveren?

“Zeker! Dat is de enige manier om nieuwe dingen te ontdekken. Draai het om: als we geen enkel risico zouden nemen dan zouden we per definitie niets ontdekken. De vraag is natuurlijk hoeveel risico je moet nemen. In ons geval denk ik dat er zoveel potentie in het onderzoek zit, dat de uitgaven gerechtvaardigd zijn.

In het algemeen denk ik dat we te conservatief zijn in het financieren van dit soort experimenten. We zouden meer van dit soort experimenten moeten hebben, zelfs als ze niet allemaal slagen. We moeten experimenten hebben die falen. De wetenschap zou een stuk sneller gaan als we niet zo’n systeem van risico-vermijding hadden. Dus het is het tegenovergestelde van wat je me net vroeg: we zouden allemaal eigenaardige onderzoeken moeten doen. We moeten avontuurlijk zijn.”

ReactiesReageer