Ander oog op het heelal Jo van den Brand Een jaar geleden werden voor het eerst zwaartekrachtgolven gemeten. Met de ontdekking begon een opwindend jaar voor natuurkundige Jo van den Brand. Zwaartekrachtgolven zijn écht een nieuwe manier om te kijken naar het heelal. Bruno van Wayenburg 8 september 2016 ATLAS-detector in CERN (Zwitserland), onderdeel van de Large Hadron Collider waar Jo van den Brand ook onderzoek heeft gedaan. Foto Peter Ginter Een halve eeuw waren natuurkundigen er naar op zoek geweest: de zwaartekrachtgolven uit Albert Einsteins relativiteitstheorie van 1915. Ruimte en tijd, stelde Einstein, zijn een rekbaar medium, dat kan indeuken, oprekken en golven als een kosmische drilpudding. Dat rekken en deuken, dat kennen we als de zwaartekracht. Maar die golven, dacht Einstein zelf, zullen we wel nooit kunnen meten, zo zwak zijn ze.
Op 14 september 2015 lukte het natuurkundigen toch. Toen pikte de dubbel uitgevoerde zwaartekrachtgolvendetector LIGO in de VS de rimpeling op van twee zwarte gaten die op 1,3 miljard lichtjaar afstand op elkaar geknald waren. Bekijk de animatie van de zwaartekrachtgolven op Gravitatiegolven (https://vimeo.com/154865621) from nrc.nl (https://vimeo.com/nrcnl) on Vimeo (https://vimeo.com/). Of op de website van het Natuurkundig Gezelschap (http://www.ngm1780.nl/wp-content/uploads/anderoog-op-het-heelal-nrc.mp4) Elke detector van LIGO bestaat uit een stelsel van trillingsvrij opgehangen spiegels, aan de uiteinden van vier kilometer lange vacuümbuizen. Tussen die spiegels kaatsen twee laserbundels heen en weer. Door de ruimterimpeling trilden de spiegels even, niet meer dan een fractie van de dikte van een atoomkern, en daardoor doofden de twee laserbundels elkaar heel even niet uit. Een signaal. Onmiddellijk gingen de alarmen af bij de circa duizend LIGO-onderzoekers, waaronder hoogleraar natuurkunde Jo van den Brand. Met zijn onderzoeksgroep aan het natuurkunde-instituut NIKHEF is hij sinds 2007 betrokken bij de speurtocht naar zwaartekrachtgolven. Zijn groep doet onder andere analyses van de metingen, en computersimulaties van botsingen tussen zwarte gaten. Jo van den Brand Jo van den Brand (Hoensbroek, 1954) komt uit een mijnwerkersgezin. Werkte vanaf 1979 als technicus aan deeltjesfysica-instituut Nikhef, en promoveerde daar in 1988 op kernfysisch onderzoek. Werkte mee aan verschillende deeltjesfysica-experimenten, waaronder het LHCbexperiment aan CERN. Werd in 1996 hoogleraar natuurkunde aan de UvA. Stapte in 2007 over naar zwaartekrachtgolven en Algemene Relativiteit. En droeg bij aan het onderzoek met de detectoren Virgo in Italië en LIGO in de VS. Richtte in 2013 het bedrijf InnoSeis op, voor seismische sensors gebaseerd op technieken uit de zwaartekrachtgolvendetectie. Van den Brand is getrouwd en heeft twee dochters Sinds die dag is het extreem druk geweest. Ik ben nog nauwelijks hier, zegt Van den Brand, een rustige zestiger in zijn wat verweesde werkkamer in het hogeenergiefysica-instituut (NIKHEF) in Amsterdam. Nergens papieren, een racefiets staat tegen de muur stof te vergaren, de formules en diagrammen op een whiteboard zijn alweer bijna uitgeveegd. Hoe was die veertiende september voor u? Heel opwindend, ik had er eerlijk gezegd nog lang niet op gerekend. Ik was vrij pessimistisch, en hoopte dat ik het nog voor mijn pensioen zou meemaken. Ik ben nu 62. In die zin had het bijna iets van een anticlimax. Zo van: dit gaat wel heel erg snel. De natuur bepaalt wat je gaat zien. We wisten dat de meest waarschijnlijke bron een botsende dubbele neutronenster was. We kennen zo n tweeduizend neutronensterren, waarbij
negen paren zitten, al zijn er natuurlijk meer. Uiteindelijk klappen die op elkaar. Maar je wéét gewoon niet hoe vaak dat gebeurt. De voorspelling voor zwarte gaten was nog veel onzekerder, de hoogste en laagste schatting liepen een factor tienduizend uiteen. En dat het zúlke zware zwarte gaten waren, van 29 en 36 maal de massa van de zon, dat was eigenlijk compleet onverwacht. Ik had meteen het idee: dit is er écht een. Maar als het dan een keer zover is, kom je opeens in een heel andere modus terecht. Op dat moment was de tijdsdruk ineens enorm. Binnen een paar maanden moesten we alle analyses en de publicatie klaar hebben. Je wilt de meting controleren, controleren, en nog eens controleren. We zijn serverdata nagegaan om te kijken of er mobiele telefoons gebeld hebben, of er aardbevingen waren in het gebied, of er mensen in de buurt waren. Je wilt zeker weten dat het geen ruis is, een artefact. Maar ik heb ook foto s laten maken van hoe alle kabels in kastjes zaten, zelfs elektronica verzegeld tot na de meetperiode. Waarom verzegelen? Je wilt achteraf ook kunnen nagaan of niet een wetenschapper is doorgedraaid, en met de apparatuur heeft gerommeld. Die dingen gebeuren soms. Op het laatst wordt je daar bijna paranoïde van. Maar uiteindelijk was mijn conclusie: als het ondanks al onze dubbelchecks iemand gelukt is om ons toch voor de gek te houden, verdient die eigenlijk óók een Nobelprijs, haha. Daarnaast moesten we natuurlijk ook de publicatie schrijven. Er zitten zo n duizend wetenschappers in deze samenwerking, en iedereen is extreem voorzichtig. Werkelijk iedere zin, iedere twijfel, iedere opmerking is bediscussieerd, drie keer omgedraaid, geschrapt, teruggezet, en herschreven. Uiteindelijk konden we het in februari naar buiten brengen. Daarvóór deden er al geruchten de ronde Ja, een niet-betrokken natuurkundige [kosmoloog Lawrence Krauss] meldde meteen na de ontdekking al geruchten. Dat heeft wel irritatie gewekt. Krauss is niet betrokken bij het onderzoek, dus het was niet aan hem om dat naar buiten te brengen. Bovendien konden we er ook niets méér over zeggen. Ik werd wel steeds beter in het afpoeieren van persvragen. Uiteindelijk had ik een vast verhaal, dan zei ik: misschien is het wel een kunstmatige injectie Hoewel ik eigenlijk wel wist dat het niet zo was. Wat is een kunstmatige injectie? Bij een kunstmatige injectie worden de LIGO-spiegels opzettelijk bewogen, met medeweten van maar een handjevol LIGO-bestuurders. Dat is om te testen of detectieprocedure goed werkt. In het verleden zijn er twee kunstmatige injecties geweest. Onderzoekers zaten toen al met champagne klaar, toen de verzegelde envelop werd opengemaakt. Toen bleek dat het niet
echt was, dat was natuurlijk nogal een teleurstelling. Ik was daar zelf overigens niet bij, ik vermoedde eigenlijk al dat het niet echt was. Waarom zo n toneelstuk? Nou, bij de echte detectie heeft dat enorm geholpen. De eerste keer duurde de analyse en discussie anderhalf jaar, deze keer vier maanden. En het mooie van kunstmatige injectie is ook dat onbetwistbaar duidelijk is wanneer je te voorzichtig bent. Detectie van zwaartekrachtgolven is in het verleden heel vaak geclaimd, onterecht, dus deze onderzoeksgemeenschap is extreem conservatief. In 2010 is een injectie gemist. Terwijl er dus wel een signaal was, ook al was dat dan nep. Dat betekent dus dat je zó conservatief bent dat je de gevoeligheid van je experiment aantast. Door die eerdere exercities denk ik dat het nu goed is gegaan. U was toch eigenlijk hoge-deeltjesfysicus? Ja, ik gaf leiding aan een grote onderzoeksgroep aan CERN, het deeltjesfysica-instituut bij Genève. Ik had net een groot programma goedgekeurd gekregen. Heel veel mensen waren nogal verbaasd toen ik naar zwaartekrachtgolven overstapte. Ik heb daarna tien jaar alleen maar gepubliceerd over meetruis. Er wáren gewoon geen metingen. Maar de doorslag bij die keuze gaf voor mij de wetenschappelijke aantrekkingskracht. Ik zag dat de detectoren die toen gebouwd werden, LIGO in de VS en Virgo bij Pisa in Italië, snel gevoeliger werden. Dat betekent dat je begrijpt wat je aan het doen bent. En dit is de beloning? Ja, het wordt steeds duidelijker wat je allemaal kunt met zwaartekrachtgolven. Dat het écht een nieuwe manier is om te kijken naar het heelal. Er is op 26 december een tweede detectie geweest, van een botsing van minder zware zwarte gaten. Beide keren hebben geavanceerde licht- en radiotelescopen meteen in dezelfde richtingen gekeken, en niets gezien. Dus je meet iets dat je op geen enkele andere manier kunt zien. Je kunt er ook de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein diepgaander mee testen, de theorie van zwaartekracht, ruimte en tijd. Dat maakt het ook voor natuurkundigen interessant. En voor de kosmologie zijn er ook mogelijkheden: de uitdijing van het heelal, zwarte gaten in het vroege heelal, en donkere materie, de onzichtbare materie in het heelal die tóch moet bestaan, je zou het allemaal moeten kunnen zien met zwaartekrachtgolven. En hoe nu verder? Er zijn veel plannen voor nieuwe of verbeterde detectoren (zie kader: detectorplannen). Daarmee kun je de bronnen beter uitpeilen aan de hemel, en je speurt ook een groter volume van het heelal af.
De volgende generatie detectoren wordt dan hopelijk de Einstein Telescope, misschien bouwen we die wel in Limburg. Daarmee zou je echt honderdduizenden detecties per jaar doen, in het hele nu zichtbare heelal. Dan heb je echt een zwaartekrachtgolventelescoop, niet alleen maar een detector.