9 november 2016

Laura van der Schaaf (verving Jo van den Brand)

Het was the day after van één van de grootste botsingen in de geschiedenis van de Amerikaanse politiek. Terwijl de echo’s van de knal nog rondzongen over de verschillende continenten, stroomde het Burgerweeshuis in Deventer vol met nieuwsgierige mensen die waren afgekomen op het affiche van de lezing van november, over een heel ander soort schokgolf. Want de onverwachte uitkomst van de strijd tussen twee volkomen tegengestelde kandidaten mocht dan wereldnieuws zijn, voor deze mensen was de lezing over de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven reden om er eens goed voor te gaan zitten in het Science Café.

Flashback naar 1,3 miljard jaar geleden: op aarde experimenteert de evolutie met de eerste meercellige levensvormen, en ergens ver weg in het heelal beginnen twee zwarte gaten elkaar te naderen. Ze komen spiraalsgewijs steeds dichter bij elkaar en tollen hoe langer hoe sneller om elkaar heen. De nabije ruimte schudt op zijn grondvesten door dit geweld en als de danspartners uiteindelijk op elkaar botsen is er letterlijk sprake van een wereldschokkende gebeurtenis. In de laatste fractie van een seconde van de botsing komt er vijftig keer meer energie vrij dan alle sterren in het waarneembare universum bij elkaar op dat moment uitstralen. Een rimpeling in de ruimtetijd verplaatst zich met de snelheid van het licht in alle richtingen.

Fast forward naar 14 september 2015, 09:50:45 GMT. De meercellige levensvormen op aarde hebben inmiddels een detector gebouwd om zwaartekrachtsgolven te meten. Twee dagen geleden hebben ze hem voor het eerst in science mode gezet: het is nu menens. En wat komt er die maandagochtend rond koffietijd op aarde aan? Ja hoor, het is diezelfde schokgolf die we 1,3 miljard jaar geleden zagen vertrekken. Ongeloof maakt plaats voor vreugde over zo’n gelukkig toeval.

Terug naar het Science Café. Op het laatste moment had de beoogde spreker, Jo van den Brand, helaas moeten afzeggen. Maar gelukkig had hij voor vervanging gezorgd, in de persoon van zijn collega Laura van der Schaaf, ook werkzaam bij Nikhef. Met kunst- en vliegwerk had zij een presentatie in elkaar gezet waarmee ze ons meenam in haar verhaal over dit moeilijke maar zeer boeiende onderwerp. Dat Laura, van oorsprong Zwitserse, in haar Nederlandstalige presentatie enkele charmante spelfouten had gemaakt deed niets af aan de kracht van haar betoog. Voortvarend zette ze ons aan het denken over de beginselen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Kun je onderscheid maken tussen een situatie in een gesloten kamer op aarde, waar je een bal ziet vallen, en zo’n kamer aan boord van een zich versnellende raket, waar je hetzelfde waarneemt? Nee dus.

Vervolgens legde ze uit hoe bewegende massa’s in het heelal invloed hebben op de afstanden tussen punten in de ruimte. Het bekende beeld van een bowlingbal op een trampoline illustreert hoe massa de ruimtetijd vervormt. Als twee bowlingballen langs de rekbare stof op elkaar botsen zie je hoe die vervorming verandert. Voilá: zwaartekrachtsgolven. Om ze te detecteren hoef je dus alleen maar te kijken of je de afstand tussen twee punten ziet veranderen als er een zwaartekrachtsgolf voorbij komt. Simpel.

Nou ja, simpel… Je moet wel heel nauwkeurig meten want zo’n golf is zo zwak dat de lengteverandering die hij veroorzaakt waanzinnig klein is. Daarvoor gebruiken fysici een laserstraal die ze splitsen en twee haaks op elkaar staande tunnels in sturen. Aan het einde van de vier kilometer lange tunnels worden de lichtgolven weerkaatst door een spiegel waarna ze nog een paar honderd keer heen en weer gaan om uiteindelijk weer bij elkaar gevoegd te worden en naar de detector te worden gestuurd. Normaal gesproken doven de beide lichtgolven elkaar uit, maar als de lengte van één van de tunnels verandert door een zwaartekrachtsgolf, dan zie je dat als een lichtvlek in de detector.

Laura vertelde dat vallende kastanjes in de buurt van het meetinstrument al verstoringen te zien geven. Gelukkig hebben de bouwers van de detector allerlei ingenieuze technische trucs uitgehaald om verstoringen te minimaliseren. Bovendien, zo ging Laura verder, kun je met slimme wiskunde locale trillingen uit het signaal filteren.

En zo kwam ze in haar verhaal bij the event, die ene historische waarneming. Ze vertelde dat het maar weinig gescheeld had of de fysici hadden de zwaartekrachtsgolf gemist. Het was namelijk de bedoeling om de detector een week later pas van engineering mode (de teststand) naar science mode te zetten, maar ze waren van mening dat ze eigenlijk wel genoeg getest hadden en keken ernaar uit om echte waarnemingen te gaan doen. Omdat ze zo snel beet hadden besloten ze om de geplande waarnemingsperiode te verlengen, en zo kon het gebeuren dat het team op 26 december een kerstcadeautje kreeg, in de vorm van een tweede detectie.

Behalve veel opwinding in de wereld van de natuurkundigen leveren de detecties van de zwaartekrachtsgolven ook nieuwe kennis op, en bevestiging van reeds bestaande kennis: zo weten we volgens Laura nu dat er naast superzware (duizend keer de massa van de zon) ook lichtere zwarte gaten bestaan (enkele tientallen keer zo zwaar als de zon), en dat Einsteins algemene relativiteitstheorie eens temeer door experimenteel bewijs wordt ondersteund.

Na het muzikale vertier van Bob Guldenmond in de pauze bleek dat er in de zaal veel mensen zaten die van de hoed en de rand wisten. (Of eigenlijk: “van het zwarte gat en de event horizon”.) De vragen die ze onder leiding van James van Lidth de Jeude op Laura afvuurden waren zeer divers, en soms ook praktisch en persoonlijk van aard. Als de detectoren zo extreem gevoelig zijn voor de minste trillingen, zo wilde iemand weten, waarom wordt er dan uitgerekend in het aarbevingsgevoelige Italië een nieuwe gebouwd? Tijdens zware aardbevingen kun je geen metingen doen, maar verbazingwekkend genoeg blijken ook lichte aarbevingstrillingen uit de meetresultaten te kunnen worden gefilterd. Pisa, waar de Italiaanse detector staat, heeft een ondergrond van zand (vandaar dat de toren scheef staat) en dat dempt aardbevingen (vandaar dat ie nog niet omgevallen is). Iemand anders vroeg Laura waar haar passie voor het onderwerp vandaan kwam. Ze zei dat ze houdt van dingen die makkelijk zijn. De algemene relativiteitstheorie is volgens haar een van de mooiste, elegantste theorieën die er zijn. Elegant? Zeker, en mooi ook wel. Maar makkelijk? Hoewel, vergeleken bij de falende Amerikaanse rekenmodellen die ons een heel andere verkiezingsuitslag voorspelden is hogere natuurkunde misschien inderdaad gewoon een makkie.

Tekst Peter van Diest, fotografie Huub Eggen.

« terug naar overzicht terugblikken