Bij een telescoop denk je misschien al gauw aan een instrument waarmee je naar het licht van sterren kijkt of naar planeten die licht van sterren reflecteren. Dat zijn inderdaad telescopen. Ook zijn er telescopen die kijken naar andere soorten straling dan licht, bijvoorbeeld naar radiogolven, infrarood of röntgenstraling. Maar het woord telescoop betekent eigenlijk verrekijker. Het is iets waarmee je ver het heelal in kunt kijken. Dus ook als je een instrument maakt dat naar andere signalen ‘kijkt’ veroorzaakt door een gebeurtenis die plaatsvindt ver weg in het heelal, dan kun je dat een telescoop noemen. Daarom heet de nieuwe detector die zwaartekrachtgolven gaat meten de Einsteintelescoop.
Zwaartekrachtgolven
Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen van de ruimtetijd die ontstaan wanneer bijvoorbeeld twee superzware objecten om elkaar heen draaien en op elkaar botsen. Dit kunnen zwarte gaten zijn, maar bijvoorbeeld ook neutronensterren of een combinatie van een zwart gat met een neutronenster.
Het was Einstein die het bestaan van zwaartekrachtgolven voorspelde vanuit zijn relativiteitstheorie. Hij liet zien dat de afstand tussen twee punten in de ruimte en de tijdsduur tussen twee tijdstippen afhangen van de waarnemer. Maar dat wanneer je tijd en ruimte combineert tot een nieuwe eenheid, de ruimtetijd, de afstand tussen twee punten in de ruimtetijd wel voor elke waarnemer hetzelfde is. Hij liet ook zien dat een massa de ruimtetijd vervormt. En dat wanneer twee zwarte gaten om elkaar heen draaien en op elkaar botsen, de ruimtetijd hierdoor gaat rimpelen, net zoals er een rimpeling in het wateroppervlak ontstaat als je er een steentje in gooit. Deze golfbeweging die ontstaat in de ruimtetijd en die zich uitspreidt door het universum noem je een zwaartekrachtgolf.
Hoewel Einstein het bestaan van zwaartekrachtgolven had voorspeld, was hij ervan overtuigd dat deze nooit gemeten zouden kunnen worden. Hij dacht dat het nooit mogelijk zou zijn dit superkleine effect te kunnen meten. En makkelijk was het zeker niet. De eerste generatie zwaartekrachtgolf-detectoren was nog niet in staat om zwaartekrachtgolven te meten. Maar in 2015 lukte het met de tweede-generatie-detector LIGO in de Verenigde Staten toch om zo’n zwaartekrachtgolf te meten.
Figuur 2: Eerste meting zwaartekrachtgolf. Bron: YouTube.
Na deze eerste meting volgde er nog meer. Van 2015 tot 2020 waren er al bijna 100 zwaartekrachtgolven gemeten met de zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO in de Verenigde Staten, Virgo in Italië en KAGRA in Japan.
Derde-generatie-zwaartekrachtgolfdetector
Nu zijn er dus plannen voor een derde-generatie-zwaartekrachtgolfdetector, de Einsteintelescoop. Deze telescoop moet nog veel gevoeliger worden, zodat veel meer zwaartekrachtgolven gemeten kunnen worden. Wetenschappers verwachten ook dat ze hiermee langere tijd kunnen meten aan een gebeurtenis. Nu meten de detectoren eigenlijk alleen het allerlaatste stukje van de gebeurtenis vlak voordat de zwarte gaten op elkaar klappen. Met de Einsteintelescoop willen onderzoekers de zwaartekrachtgolf al eerder kunnen waarnemen. Zo zullen ze nog meer informatie krijgen over wat er met de zwarte gaten, of bijvoorbeeld de neutronensterren gebeurt waar de telescoop naar kijkt.
Hoe werkt de Einsteintelescoop?
De Einsteintelescoop meet een langskomende zwaartekrachtgolf met interferentie. Het is net als de andere zwaartekrachtgolfdetectoren een grote interferometer. Bij zo’n meetinstrument meet je de interferentie tussen twee laserlichtbundels die langs twee afzonderlijke paden gelopen zijn. Als je de twee lichtbundels vervolgens weer samenbrengt, ontstaat er een interferentiepatroon. Dat patroon vertelt dan iets over het verschil in het afgelegde pad van de twee lichtbundels.
Bij een zwaartekrachtgolfdetector ontstaat er een verschil in het afgelegde pad tussen de twee lichtstralen doordat een passerende zwaartekrachtgolf de ruimtetijd in beweging brengt. Hierdoor krimpt en strekt de ruimte een piepklein beetje. In welke richting dat gebeurt, hangt ervan af waar de zwaartekrachtgolf vandaan komt. Maak je nu twee even lange tunnels in twee richtingen dan zal bij het passeren van een zwaartekrachtgolf de ene tunnel net iets korter worden dan de andere. Dat verschil is natuurlijk maar superklein. Je moet daarbij denken aan verschillen in de ordegrootte van 10-22 meter. Dat is tienduizend keer kleiner dan protonen in een atoomkern! Laat je nu door beide tunnels laserlichtstralen heen en weer gaan, dan zal de ene lichtstraal een net iets kortere afstand afleggen dan de andere. Voeg je deze lichtstralen dan weer samen, dan kun je uit het interferntiepatroon opmaken hoe groot het verschil in afstand was.
Figuur 6: Animatie meetprincipe zwaartekrachtgolfdetector. Bron: YouTube.
Last van ruis
Het is ongelooflijk knap dat onderzoekers deze piepkleine verschillen kunnen meten. Er liggen namelijk heel veel verstoringen op de loer die ook een verschil in de afgelegde afstand veroorzaken. Bijvoorbeeld als de spiegels van de interferometer gaan meetrillen met trillingen in de bodem. Of als de spiegels net een beetje uitzetten doordat ze opwarmen. Deze effecten zorgen ervoor dat je niet meer alleen de zwaartekrachtgolf meet, maar ook verstoringen: ruis. Ook wanneer je het licht meet, heb je te maken met ruis. In de lichtdetector ontstaat een stroompje doordat het licht van de interfererende lichtstralen hierop valt. Maar helaas ontstaat er vaak ook al een klein beetje stroom in de detector door warmte. Ook dat geeft ruis op je signaal.
Om ruis zo veel mogelijk te beperken, moeten onderzoekers heel goed uitzoeken hoe ze alle onderdelen van de telescoop moeten maken en installeren. Ze moeten in hun ontwerp trillingen van de onderdelen van de Einsteintelescoop zoveel mogelijk voorkomen. En onderdelen zoals de spiegels en de detector moeten heel goed gekoeld worden en op constante temperatuur gehouden worden om ruis door warmte te vermijden. Zo zijn er nog meer (technische) uitdagingen.
Nederland, Italië of Duitsland?
Waar de Einsteintelescoop gebouwd zal worden is nog niet zeker, die beslissing valt eind 2026 of begin 2027. Het kan zijn dat deze in Zuid-Limburg komt waarbij de telescoop deels onder Duits en Belgisch grondgebied zal liggen. Maar er zijn nog twee andere mogelijke locaties. Ook in Italië willen ze deze telescoop graag bouwen. Die moet dan komen op Sardinië. Ten slotte is Duitsland een gegadigde. Daar willen ze de telescoop bouwen in de Oost-Duitse deelstaat Saksen. Als de locatie eenmaal is gekozen en de Einsteintelescoop is af, dan zullen de eerste metingen waarschijnlijk in 2035 starten.
ETpathfinder in Maastricht
Nu al vinden allerlei voorbereidingen plaats voor de Einsteintelescoop. Het is zo’n ontzettend gecompliceerd observatorium, dat er nog heel wat moet worden uitgezocht om het ontwerp te optimaliseren. Welke laser is geschikt? Hoe maak je de optimale spiegel om het laserlicht te weerkaatsen? En hoe kun je alle onderdelen het beste trillingvrij ophangen? Dat zijn vragen waar onderzoekers en technici zich nu over buigen.
In Maastricht is daarom een speciaal onderzoekscentrum opgezet: de ETpathfinder. Daar testen ze allerlei technieken voor de Einsteintelescoop alvast op kleine schaal. Wat ze hier ontwikkelen, kunnen ze dan toepassen bij de bouw van de Einsteintelescoop. Maar deze technieken zullen zeker ook interessant zijn voor allerlei andere toepassingen, bijvoorbeeld voor de industrie of de medische wetenschap.
Einstein Telescope Education Centre
Het hele project rondom de Einsteintelescoop is natuurlijk superinteressant voor wetenschappers en technici. Maar ook voor leerlingen kan het inspirerend zijn. Als leerling heb je vaak nog geen duidelijk beeld van wat je in de praktijk kunt met wat je leert in de natuurkundeles. Een project als de Einsteintelescoop biedt de uitgelezen kans om dat inzicht te geven. Daarom hebben Maastricht University, het Dutch Black Hole Consortium, Nikhef, projectbureau Einstein Telescope en Discovery Museum de handen ineengeslagen en het Einstein Telescope Education Centre opgezet. Zij zijn hierbij financieel ondersteund door een aantal externe partners. In dit educatiecentrum – dat gehuisvest is in een toren van Discovery Museum – kunnen havo- en vwo-bovenbouwleerlingen met hun docent een dagprogramma volgen waarin ze meer leren over zwaartekrachtgolven en de Einsteintelescoop.
Het dagprogramma dat schoolklassen doorlopen is heel gevarieerd. Ze krijgen eerst een indrukwekkende film te zien over zwarte gaten en de Einsteintelescoop. Voor deze bijzondere film - ontwikkeld in opdracht van het DBHC - kijken de leerlingen vanaf een balustrade de diepte in wat de beleving nog intenser maakt. Daarna gaan ze naar een speciaal ingerichte theaterzaal. Daar geeft Annabel Wolf, explainer bij Discovery Museum en zelf natuurkundige, een interactief college. “Tijdens het college vertel ik over zwaartekrachtgolven en de Einsteintelescoop, waarbij ik ook experimenten laat zien en vragen stel aan het publiek”, vertelt Wolf. “Tussendoor is ook mijn virtuele assistent Gideon Koekoek aan het woord.” Koekoek is universitair hoofddocent natuurkunde bij de universiteit van Maastricht en is als scientific lead nauw betrokken bij de ontwikkeling van het ETEC-programma. Koekoek verschijnt als pepper’s ghost achter een bureau op het podium of in een video geprojecteerd op een rond scherm. Daarbij licht hij onderwerpen toe vanuit zijn expertise.
Annabel Wolf vervolgt: “Door deze afwisseling in het interactieve college blijft het voor de leerlingen heel interessant!” Het interactieve college geeft zo op een speelse én informatieve manier een duidelijk beeld van wat zwaartekrachtgolven zijn en hoe de Einsteintelescoop deze meet.
Na het college mogen leerlingen zelf aan de slag in vier workshops die verschillende belangrijke aspecten van de Einsteintelescoop onder de loep nemen. Emma Prins - coördinator van ETEC en zelf ook natuurkundige - legt enthousiast uit wat de leerlingen bij de workshops doen: “De leerlingen combineren hier hun natuurkundekennis met wat ze van de film en het college hebben geleerd. De onderwerpen die hierbij aan bod komen zijn: lasers, geofysica, trillingen dempen en data-analyse. Deze onderwerpen zijn belangrijk voor de Einsteintelescoop, maar laten ook zien dat de natuurkunde-examenstof direct zijn toepassing vindt in een project zoals de Einsteintelescoop”, legt Prins uit. “Leerlingen doen in groepjes onderzoek aan één van deze onderwerpen. Achteraf presenteren ze aan elkaar wat ze onderzocht hebben en wat de resultaten hiervan waren. Dit levert altijd leuke presentaties op, waarbij je ziet dat leerlingen ook echt wat geleerd hebben over zwaartekrachtgolven en de Einsteintelescoop!”
Als afsluitende activiteit mogen leerlingen aan het werk in de speciaal ingerichte studioruimte. Daar kunnen zij zich creatief uitleven. Ze kunnen er bijvoorbeeld een podcast maken, video’s opnemen of een quiz maken. Hiermee kunnen ze aan het eind van de dag hun klasgenoten en docenten laten zien wat zij geleerd hebben over zwaartekrachtgolven, zwarte gaten en de Einsteintelescoop. “Na afloop zijn niet alleen de docenten enthousiast”, vertelt Emma Prins, “maar zie je dat ook de meeste leerlingen geïnspireerd naar huis gaan!”
Nog even geduld…
Hoewel de Einsteintelescoop nog niet is gebouwd, is er al veel bedrijvigheid rondom deze derde-generatie-zwaartekrachtgolfdetector. Er is een testlocatie, de ETpathfinder en bedrijven en universiteiten zijn druk bezig met het ontwikkelen van nieuwe technieken voor deze uitdagende telescoop. Ook het onderwijs heeft nu de mogelijkheid om kennis te maken met deze nieuwe, fascinerende telescoop. Nu is het afwachten waar de telescoop zal komen. Daarvoor moeten we nog even geduld hebben.
