Met een ondergrondse telescoop op zoek naar de fundamenten van het heelal

Welke fysieke krachten en subnucleaire reacties deden het heelal ontstaan? Wat gebeurt er als twee neutronensterren botsen? Waren de wetten van de fysica altijd dezelfde? Het zijn maar enkele vragen waar wetenschappers uit allerlei disciplines doodgraag een antwoord op zouden willen, maar met de huidige technologieën blijven ze helaas op hun honger zitten. Sinds de eerste waarneming van zwaartekrachtgolven – amper 11 jaar geleden – komen die antwoorden ineens dichterbij.  

Om zwaartekrachtgolven te bestuderen heb je wel een specifiek soort telescoop nodig. Stel je daar geen enorme schotels bij voor; dit type telescopen bestaat uit kilometerslange buizen waarin laserstralen worden afgeschoten. Er zijn al een paar van dit soort observatoria op verschillende plaatsen ter wereld, maar omdat de mogelijkheden daarvan beperkt zijn, werd onlangs besloten om een nieuwe te bouwen: de Einsteintelescoop. Deze versie zit zowaar... diep onder de grond. Het is  – zonder overdrijven – een van de meest opwindende wetenschappelijke projecten van deze eeuw… 

Zwaartekrachtgolven zijn de sleutel tot het ontsluieren van heel wat geheimen over ons heelal. Ze ontstaan als enorme massa’s extreem snel (en versneld) bewegen – rond hun as draaien of botsen met een andere massa, bijvoorbeeld. Vervolgens verplaatsen ze zich door het heelal zoals de rimpelingen in een vijver als je daar een steen in gooit. Met zwaartekrachtgolven kun je fenomenen bestuderen waarbij geen licht wordt geproduceerd, dat door klassieke telescopen kan worden waargenomen. Zowat honderd jaar geleden formuleerde Einstein er al een theorie over, maar het duurde tot 14 september 2015 vooraleer ze voor het eerst werden waargenomen. 

“Dat was een onverhoopt succes,” vertelt professor Alexander Sevrin, voorzitter van de vakgroep Fysica en Sterrenkunde aan de VUB. “Zwaartekrachtgolven zijn namelijk heel zwak als je ze vergelijkt met bijvoorbeeld elektromagnetische straling. Ik herinner me nog dat ik mijn studenten vroeger altijd waarschuwde: zwaartekrachtgolven zullen nooit waargenomen worden in mijn leven en waarschijnlijk ook niet tijdens jullie leven. Ik ben heel blij dat ik met mijn voorspelling fout zat, maar dit is dan ook wetenschap aan de grens van het mogelijke – en er misschien zelfs voorbij. Wat we proberen te meten zijn afwijkingen van 1 attometer – dat is dus een 10⁻¹⁸ meter, ofwel minder dan een duizendste van een proton, en dat in interferometers die vele kilometers lang zijn. Dat is te vergelijken met de dikte van een haar op een afstand van de aarde tot de dichtstbijzijnde ster buiten ons zonnestelsel – zowat 5 lichtjaar hier vandaan.”

Voor het ontwerp van de Einsteintelescoop werd gekozen voor 3 tunnels van elk 10 kilometer lang die op een diepte van 250 à 300 meter een driehoek vormen. Door die tunnels worden laserstralen gestuurd die vervolgens door uiterst precieze spiegels weerkaatst worden. De aanwezigheid van zwaartekrachtgolven kan worden afgeleid door minuscule afwijkingen van de weerkaatste stralen.  

Sevrin is, samen met professor Hugo Thienpont van B-PHOT, al sinds 2018 bezig om de bouw van de Einsteintelescoop op de rails te zetten. De VUB is bij 3 aspecten ervan betrokken: bij het bodemonderzoek op een van de mogelijke locaties van de telescoop, bij het bouwen van de spiegels en bij het ontwikkelen van de meetinstrumenten.

“Die spiegels zijn een ongelooflijk huzarenstukje waar maar een paar labo’s ter wereld toe in staat zijn,” licht Sevrin toe. “Ze worden gemaakt uit silicium, wat nog nooit iemand eerder heeft gedaan, en hebben een precisie van minder dan 1 ångström – een atoom dus. Die bereiken ze door met ionenstralen atomen weg te schieten die voor onzuiverheid kunnen zorgen.” 

Uiteraard is ook de vakgroep van professor Sevrin zelf rechtstreeks bij het project betrokken. “Het is onze taak om te definiëren welke onderzoeken we met de Einsteintelescoop kunnen opzetten. Dat is een hele waslijst. Hiermee kunnen we bijvoorbeeld naar de dark ages van het universum kijken. Je mag dat heel letterlijk nemen; dat is de periode tussen de Big Bang en het ontstaan van de eerste sterren, zowat 150 miljoen jaren later. Er was dus een hele periode waarin het heelal al bestond, maar waarin er nog geen licht was. Die periode kunnen we dus enkel onderzoeken met de Einsteintelescoop, want toen waren er wel al zwaartekrachtgolven. De Big Bang zelf gaan we de komende decennia allicht niet kunnen zien – dat zal helaas voor de generatie na mij zijn.” 

Nu al staat vast dat de Einsteintelescoop voor enorme omwentelingen gaat zorgen in de kosmologie en de elementairedeeltjesfysica. De Einsteintelescoop zal het mogelijk maken om het gedrag te bestuderen van materie bij enorm grote dichtheid en druk, condities die onmogelijk in een laboratorium gerealiseerd kunnen worden. Daarenboven krijgen wetenschappers ook meer inzicht in astrofysica omdat men met de Einsteintelescoop heel goed supernovaontploffingen van sterren kan onderzoeken. 

Zowel Europa als de VS investeerden eerder al in detectoren om zwaartekrachtgolven waar te nemen. De Advanced Virgo (in Europa) en Advanced LIGO (in de VS) konden in augustus 2017 de zwaartekrachtgolven waarnemen die veroorzaakt werden door het samensmelten van twee neutronensterren. Dat zijn extreem compacte restkernen van zware sterren die na een supernova-explosie ingestort zijn, waarbij de protonen en elektronen samengesmolten zijn tot neutronen. 

Het EMR-consortium dat de Einsteintelescoop wil bouwen in het drielandenpunt België-Duitsland-Nederland (zie het kaderstuk hieronder) begroot het project op circa 3 miljard euro. “Dat lijkt enorm veel, maar voor dit soort mijlpalen in de geschiedenis van de wetenschap valt dat eigenlijk nog wel mee. De bouw van de Large Hadron Collider (LHC), de bekendste deeltjesversneller van het CERN, kostte in totaal zowat 4 miljard euro, en de experimenten die ze ermee hebben uitgevoerd bijna nog eens zoveel. De bouw en ontwikkeling van de James Webb Space Telescope heeft in totaal ongeveer 8,5 miljard euro gekost.” 

In afwachting daarvan is men wel al de technologie aan het ontwikkelen die nodig zal zijn zodra voor de werking van de Einsteintelescoop. Maar volgens Sevrin is dat geen gok: ook al wordt de bouw van de Einsteintelescoop niet aan het consortium toegekend waar België bij betrokken is, dan nog zullen die investeringen lonen.  

“Voor het metaal dat we nodig hebben om de 120 km lange vacuümbuizen te bouwen waarin die uiterst precieze laserstralen gestuurd worden is er bijvoorbeeld een mooie samenwerking ontstaan tussen de metallurgiespecialisten van de universiteit van Gent en Belgische staalbedrijven. Stel dat de keuze voor de bouw van de ET naar een van de andere consortia gaat, dan is de kans groot dat zij nog altijd het metaal voor de buizen gaan mogen leveren. En ook voor andere toepassingen komt die knowhow vast nog wel van pas. Hetzelfde geldt voor de ontwikkeling van de silicium gebaseerde optica dat aan de VUB gebeurt.” 

De economische return van dit project kan aanzienlijke proporties aannemen. “Elke euro die eraan wordt uitgegeven zal ongeveer 3 euro opleveren aan onze economie,” berekent Sevrin. “Voor mij persoonlijk volstaat de intrinsieke wetenschappelijk waarde van dit project, maar in de huidige economische realiteit zijn dergelijke overheidsinvesteringen uiteraard enkel te verantwoorden als ze de maatschappij ook rechtstreeks ten goede komen.”