De eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven luidde een nieuw tijdperk in voor de natuurkunde en astronomie, stelt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone. ‘Dit is een wetenschappelijk avontuur dat nog decennia zal gaan duren.’
Sterren en zwarte gaten zijn te ver weg om eraan te voelen, ruiken of proeven. Je kunt ze niet van de hemel plukken en ermee experimenteren in je lab. De enige manier waarop wetenschappers deze waanzinnig interessante objecten kunnen onderzoeken, is door ernaar te kijken met telescopen die zichtbaar licht en andere vormen van elektromagnetische straling opvangen, zoals radiogolven en gammastraling.
Met de ontdekking van zwaartekrachtsgolven in 2016 kwam daar een geheel nieuwe optie bij. ‘Dankzij zwaartekrachtsgolfdetectoren kunnen we nu ook de ruimtetijdtrillingen ervaren die bijvoorbeeld samensmeltende zwarte gaten veroorzaken’, zegt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone van het Amsterdamse onderzoeksinstituut GRAPPA. ‘De ontdekking is schitterend. Zwaartekrachtsgolven kunnen ons helpen om meer te leren over fundamentele fysica, zoals de zwaartekracht en de mysterieuze donkere materie en donkere energie. Ze zijn het begin van een nieuw wetenschappelijk avontuur, een nieuw tijdperk in de natuurkunde en astronomie dat decennia zal duren.’
Hoe kwam de eerste meting van zwaartekrachtsgolven tot stand?
‘In de jaren zestig dachten de meeste natuurkundigen dat zwaartekrachtsgolven een theoretische curiositeit waren die we nooit zouden kunnen meten. Maar een paar mensen, waaronder de latere Nobelprijswinnaar Kip Thorne, zeiden dat zwaartekrachtsgolven móéten bestaan. Zij hadden het gekke idee dat het mogelijk zou zijn om lengteveranderingen die zwaartekrachtsgolven veroorzaken in een buis van 4 kilometer lang te meten met een precisie van een duizendste van de grootte van een proton, de kern van een waterstofatoom. Dat is waanzinnig! Wie zou in zo’n idee geloven?
Toch gingen deze onderzoekers door. Ze dachten niet alleen dat ze zwaartekrachtsgolven zouden kunnen meten, maar ook dat het mogelijk is om ze te ontcijferen, om zo meer te weten te komen over de gebeurtenissen waarbij deze golven ontstaan, zoals het samensmelten van zwarte gaten. Ik ben enorm onder de indruk van hun ambities destijds. En ze kregen gelijk.’
Waarom vormde de detectie van zwaartekrachtsgolven volgens u het begin van een nieuw tijdperk?
‘Hiervoor kun je het best kijken naar de geschiedenis van de astronomie. Duizenden jaren keken we met het blote oog naar de hemel, tot de uitvinding van de telescoop in het begin van de zeventiende eeuw. Met steeds betere telescopen gingen we steeds dieper het heelal in kijken. Maar telescopen zijn eigenlijk gewoon grotere ogen waarmee we hetzelfde zichtbare licht kunnen zien als met het blote oog. De afgelopen eeuw kwam daar de zogeheten multiwavelength-astronomie bij, waarbij we de ‘kleuren’ van het universum leerden kennen die je met het blote oog niet kunt zien, zoals infrarood-, radio- en röntgenstraling. Tot 2016 bestond astronomie grotendeels uit het observeren van deze verschillende kleuren. Met de detectie van zwaartekrachtsgolven kregen we er plots een nieuw zintuig bij. We kunnen het universum nu ook ervaren door het golven van de ruimtetijd.’
Wat levert dat extra zintuig ons op?
‘Hierdoor kunnen we gebeurtenissen observeren die voor andere telescopen verborgen blijven, zoals het samensmelten van zwarte gaten. Ook zijn er gebeurtenissen die we nu op verschillende manieren kunnen waarnemen, zoals het samensmelten van supercompacte sterren genaamd neutronensterren. Hierbij ontstaan niet alleen zwaartekrachtsgolven, maar ook allerlei ‘kleuren’ licht, zoals infrarood- en röntgenstraling. Het licht en de zwaartekrachtsgolven zien we als twee verschillende soorten boodschappers die ons, elk op hun eigen manier, informatie over een gebeurtenis kunnen brengen. Door ons nieuwe zintuig te combineren met bestaande observatietechnieken kunnen we meer te weten komen over het universum.’
Wat zijn op dit moment de grote mysteries van de moderne fysica?
‘Bovenaan dat lijstje zou ik donkere materie zetten, donkere energie – die de versnelde uitdijing van het heelal drijft – en inflatie, de theorie dat het heelal meteen na de oerknal heel kort exponentieel groter werd. Dat zijn de drie pijlers die ons een standaardtheorie van de kosmologie geven. Die theorie verklaart alle observaties, maar we hebben geen idee wat de ware aard is van donkere materie, donkere energie en inflatie. Hiervoor lijkt het belangrijk om het oneindig grote, het hele universum, te verbinden met het oneindig kleine, de microscopische wereld van de deeltjesfysica. We willen verbanden leggen tussen wat er op de grootste schaal en de kleinste schaal in het universum gebeurt.’
In september 2021 verschijnt het nieuwe boek van Gianfranco Bertone, Tussen twee oneindigheden, bij Veen Media, de uitgever van New Scientist. Hierin beschrijft Bertone hoe waarnemingen van licht, neutrino’s en zwaartekrachtsgolven kunnen leiden tot het ontrafelen van enkele van de diepste en meest fascinerende mysteries van de moderne wetenschap. Het boek is te te bestellen via shop.newscientist.nl.
Bestaat donkere materie eigenlijk wel?
‘Laat ik het antwoord hierop zorgvuldig formuleren. Wat we zeker weten, is dat Einsteins algemene relativiteitstheorie een uitzonderlijk nauwkeurige beschrijving geeft van het universum waarin we leven. Tenminste, als we aannemen dat er een extra vorm van materie bestaat die niet is opgenomen in onze standaardtheorie van de deeltjesfysica: donkere materie.
Er zitten een paar scheurtjes in deze beschrijving van het universum, met die extra materie. Maar die scheurtjes zijn zo klein dat ik ze zie als kansen om onze huidige theorie van het universum te verfijnen, in plaats van als redenen om die te verlaten. Ik kan alleen niet garanderen dat donkere materie bestaat totdat we het spul vinden met onze detectoren. Daarom zijn astrodeeltjesfysici zoals ik gemotiveerd om het raadsel van donkere materie tot op de bodem uit te zoeken.’
Waar kijkt u het meest naar uit, de komende jaren?
‘Naar mijn idee is de samenhang tussen zwaartekrachtsgolven en fundamentele natuurkunde een nog compleet onontgonnen gebied. Naast donkerematerieonderzoek kunnen we gaan begrijpen hoe zwaartekracht werkt en wat de grenzen zijn van de algemene relativiteitstheorie. En donkere energie is er ook nog. Met donkere materie tasten we in het duister, maar er zijn wel concrete ideeën over wat deze vorm van materie kan zijn. Donkere energie, waardoor het universum versneld uitdijt, begrijpen we helemaal niet.
Er is dus nog veel te doen.
‘Ja, en daarom is dit vakgebied ook zo spannend. Toen ik net begon, was het idee dat er een soort schatkaart was; dat duidelijk was waar je moest graven om je schat te vinden. Maar inmiddels hebben we overal gezocht, en niets gevonden. De vraag is nu dus nog steeds: waar zijn de schatten? Die schatten zijn de antwoorden op de vragen: wat is de aard van donkere materie en donkere energie? En die antwoorden liggen nog compleet open. Het is nu aan ons om een nieuwe schatkaart te maken voor de volgende generaties onderzoekers.’
Dit is een greep uit het uitgebreide interview met Gianfranco Bertone dat verscheen in New Scientist 91 (september 2021). De editie met het volledige artikel is te koop in onze webshop.
