Aldus astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone van het Amsterdamse onderzoeksinstituut GRAPPA. Artikel van Hans van Zon in ad.nl/wetenschap 06-09-2021.

Zwaartekrachtsgolven laten zien wat voor andere telescopen verborgen blijft

De eerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven luidde een nieuw tijdperk in, stelt astrodeeltjesfysicus Gianfranco Bertone. Deze week verscheen zijn nieuwe boek over dit onderwerp.

Intermezzo Henk Kieft: lezing van dit spannende artikel over donkere energie, bracht me op het idee om dit artikel twee keer te lezen. Eerst natuurlijk zoals Hans van Zon en Gianfranco Bertone het bedoelen. En dan door voor donkere energie een andere term te nemen: subtiele energie. Een verschijnsel dat duizenden mensen fysiek kunnen waarnemen maar dat wetenschappelijk nog nauwelijks of niet begrepen is. Maar tevens een verschijnsel dat we kunnen afleiden van onze waarnemingen, precies zoals de astrofysici doen met donkere materie en donkere energie. En als we nu eens met dezelfde inzet de werking van subtiele energie gingen onderzoeken. Nog een mysterie! Dat is waanzinnig! Wie zou in zo’n idee geloven? Toch gingen deze onderzoekers door. Spannend! Veel leesplezier x 2.

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. Zij vangen zichtbaar licht en andere vormen van elektromagnetische straling op, zoals radiogolven en gammastraling.

Met de ontdekking van zwaartekrachtsgolven in 2016 kwam daar een nieuwe onderzoeksmethode bij. ,,Dankzij detectoren die zwaartekrachtsgolven meten, kunnen we nu ook de trillingen in de ruimtetijd ervaren die bijvoorbeeld samensmeltende zwarte gaten veroorzaken. 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 in de natuurkunde en astronomie dat decennia zal duren.’’

Hoe kwam de eerste meting van deze golven tot stand?
,,In de jaren 60 dachten de meeste natuurkundigen dat zwaartekrachtsgolven een theoretische curiositeit waren die we nooit zouden kunnen meten. Maar volgens een paar mensen, onder wie de latere Nobelprijswinnaar Kip Thorne, moesten zwaartekrachtsgolven bestaan. Zij hadden het gekke idee dat het mogelijk zou zijn om die te kunnen meten met een precisie van een duizendste van de grootte van de kern van een waterstofatoom. Dat is waanzinnig! Wie zou in zo’n idee geloven? Toch gingen deze onderzoekers door. Ze dachten ook dat het mogelijk is om meer te weten te komen over de gebeurtenissen waarbij deze golven ontstaan, zoals het samensmelten van zwarte gaten. 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. Met de uitvinding van de telescoop, waarmee we hetzelfde zichtbare licht kunnen zien als met het blote oog, kijken we sinds het begin van de zeventiende eeuw steeds dieper het heelal in. 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 beschikken we over een aanvullend zintuig. We kunnen het universum nu ook ervaren door het golven van de ruimtetijd.’’

Wat levert dat zintuig ons op?
,,We kunnen gebeurtenissen observeren die voor andere telescopen verborgen blijven, zoals het samensmelten van zwarte gaten. Ook kunnen we gebeurtenissen, zoals het samensmelten van supercompacte sterren, zogeheten neutronensterren, nu op verschillende manieren waarnemen. Met behulp van zwaartekrachtsgolven én met allerlei ‘kleuren’ licht, zoals infrarood- en röntgenstraling. Licht en zwaartekrachtsgolven leveren ons twee verschillende soorten informatie over een gebeurtenis. Op die manier 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, donkere energie en de zogeheten inflatie zetten. Het bestaan van donkere materie die geen licht uitstraalt en die we dus niet kunnen zien, wordt afgeleid uit de waargenomen werking van zwaartekracht.

Donkere energie wordt gezien als een verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal, en inflatie is de theorie dat het heelal meteen na de oerknal heel kort exponentieel groter werd. Alle drie zijn het pijlers van een standaardtheorie van de kosmologie. Die theorie verklaart al onze observaties, maar we hebben geen idee wat de ware aard is van donkere materie, donkere energie en inflatie. Om een beter inzicht te krijgen 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 en de kleinste schaal gebeurt in het universum’’

Bestaat donkere materie 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 onvolkomenheden in deze beschrijving van het universum, met die extra materie. Maar die zijn zo klein dat ik ze zie als kansen om onze huidige theorie van het universum te verfijnen, niet als redenen om die te verlaten. Ik kan pas garanderen dat donkere materie bestaat als we haar vinden met onze detectoren. Daarom willen astrodeeltjesfysici zoals ik het raadsel van donkere materie tot op de bodem uitzoeken.’’

Waar kijkt u het meest naar uit?
,,Naar mijn idee is de samenhang tussen zwaartekrachtsgolven en fundamentele natuurkunde een nog compleet onontgonnen gebied. 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 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.’’

Dit verhaal werd eerder gepubliceerd in New Scientist.