Iedereen dacht dat hij gek was, maar Jo van den Brand gooide het roer van zijn vakgroep om en wedde op het goede paard. Nu hij het mogelijk maakt om zwaartekrachtgolven te meten, wordt er veel meer duidelijk over de kosmos die nu nog grotendeels onzichtbaar is. ‘Dit is de meest spannende tijd om natuurkundige te zijn.’

14 september 2015. Twintig jaar voorbereiding, en nu is het bijna zover dat er echt iets gemeten kan worden. Voor Jo van den Brand, subatomair fysicus, wacht een gewone dag vol met een eindeloze reeks taken en taakjes voordat de zwaartekrachtgolfmeters volledig operationeel gaan. Maar zo’n afvinkdagje wordt het niet. Terwijl iedereen lag te slapen, hadden de meters die nacht automatisch een e-mailtje verstuurd, met als inhoud dat er ergens ver weg in het heelal iets heel aparts gebeurd was. En dat zet de dag, en de maanden erna, op z’n kop. Nog maar nauwelijks uit de startblokken lijkt er al succes te zijn. Daar zag het heel lang niet naar uit.

1995. De faculteit Exacte Wetenschappen moet bezuinigen. Als Van den Brand de vakgroep Subatomaire fysica als hoogleraar overneemt, hangt het voortbestaan aan een zijden draadje. “We deden kernfysisch onderzoek en ik heb toen de activiteiten van de groep verbreed met onderzoek naar antimaterie. Vooral de steun van de studenten, die toen een bepalende stem in de faculteitsraad hadden, gaf de doorslag om mijn groep te handhaven”, vertelt Van den Brand. De vakgroep pakt onder zijn leiding een breed en universeel probleem op. Namelijk het probleem dat verreweg het grootste deel van het heelal en de ontstaansgeschiedenis ervan niet te bestuderen zijn. 

Dark matters & dark ages…

Alles wat we weten, is gemeten aan de hand van objecten die elektromagnetische straling uitzenden, zoals licht of radiogolven. Dat is naar schatting bij maar één procent van de materie het geval. Van de rest weten we alleen indirect dat het er moet zijn. “Als sterrenkundigen praten over donkere materie – dark matter – is dat eigenlijk een eufemisme voor: ik heb geen flauw benul wat het is, maar ik heb het nodig, want anders kloppen mijn metingen niet met de natuurwetten. Daar komt bij dat het heelal vlak na de oerknal nog zo compact en dicht was, dat licht nagenoeg geen informatie geeft over deze periode. De tijd vóór de vorming van de eerste sterren noemt men de dark ages.”

…En dark energy

Naast de meetlatten licht en radiogolven wilde Van den Brand een alternatieve meetlat voor de astronomie realiseren, waarmee je enorme gaten in de kennis over het heelal zou kunnen dichten. Zwaartekracht zou die meetlat moeten worden. Als je de dynamische effecten van zwaartekracht op een of andere manier zou kunnen meten, dan zou je daardoor kennis kunnen vergaren over de meest primaire bouwstenen van het heelal: ruimte en tijd.

Van den Brand: “Ruimte en tijd zijn gevormd tijdens de oerknal, en als je daaraan kunt meten, kun je informatie krijgen uit het vroege heelal. En omdat je niet afhankelijk bent van licht, kun je zicht krijgen op dark matter. En op dark energy, een hypothetische vorm van energie die de onbegrepen versnelde expansie van het heelal kan verklaren.”

Klokken lopen langzamer
Einstein leidde met zijn algemene relativiteitstheorie af dat ruimte en tijd eigenlijk twee aspecten van hetzelfde zijn. Dat is in het dagelijks leven moeilijk voor te stellen, maar een effect ervan is dat klokken langzamer lopen als ze in de buurt zijn van massieve en compacte objecten, zoals een ster of een planeet. Als de klokken in de gps-satellieten niet voortdurend gelijkgesteld zouden worden met die op aarde, zou je Tomtom er al na een dag tientallen kilometers naast zitten. De oorzaak: satellieten zweven in een hogere baan om de aarde, en de tijd verloopt daar sneller dan hier.

Als ruimte en tijd eigenlijk variaties op een thema zijn, dan geldt die veranderlijkheid van tijd óók voor ruimte. Oftewel: de ruimte is niet recht en onveranderlijk, maar krom en dynamisch. Net zoals je rimpelingen in een vijver ziet als je er een steen in gooit, zo zijn er rimpelingen in de ruimte bij veranderingen aan grote objecten. Die rimpelingen, ofwel groter en kleiner wordende ruimte, dat zijn zwaartekrachtgolven.

Kwade reuk

Het mooie van zwaartekracht is dat je er geen licht voor nodig hebt. Elk object in het heelal, licht of donker, ‘verraadt’ z’n aanwezigheid doordat het de ruimte rond zich vervormt. Maar zwaartekrachtgolven willen meten had ook een groot nadeel: er zat een beetje een kwade reuk aan. Eind jaren zestig had Joseph Weber, een fysicus van de University of Maryland, een experiment bedacht om dat te doen, maar niemand bleek in staat om diens experimenten te herhalen. Het onderzoek naar zwaartekrachtgolven was daarom nogal beladen.

2006. Van den Brand stapt ondanks Weber in een consortium dat de uitdaging aan wilde gaan. “Al snel nadat ik was begonnen, werd me duidelijk dat ik me niet én met ruimtetijd én met antimaterie kon bezighouden. Ik koos voor zwaartekrachtgolven. Dat vonden sommige mensen wel raar. We hadden als VU inmiddels een mooie positie met ons onderzoek. Het was ook een long shot. Theoretisch moest ik omschakelen. Ook ben ik jaren bezig geweest de financiering rond te krijgen. De technische problemen waren enorm. Maar alle grote problemen in de natuurkunde die ik uitdagend vond, hadden te maken met zwaartekracht. Ik heb toen louter mijn interesse gevolgd, ook al snapte niet iedereen wat me bezielde.”

Ruimte die krimpt of uitzet
Het idee van een meetinstrument voor zwaartekrachtgolven is dat je een laserstraal door een lange tunnel te stuurt. Als de tunnel als gevolg van een zwaartekrachtgolf korter of langer wordt, dan doet zo’n laserstraal er korter of juist langer over. Om dat effect te kunnen meten, moet je twee tunnels bouwen die haaks op elkaar staan: de tweede treedt dan op als vergelijkingsmateriaal voor de eerste. Omdat de tunnels even lang zijn, kun je een zwaartekrachtgolf opsporen zodra er een verschil optreedt in de tijd die de laser erover doet om in beide tunnels dezelfde afstand af te leggen. Als er een verschil is, dan is één van de tunnels van lengte veranderd, wat alleen maar kan als de ruimte kromp of uitzette.

Technisch gezien zijn die tunnels een nachtmerrie: ze moeten volledig vacuüm en trillingvrij zijn, en je moet tot op de nanoseconde nauwkeurig meten. Niets mag een meting kunnen verstoren. En ze moeten lang zijn. Het instrument kwam er: Virgo staat in Italië, niet ver bij Pisa vandaan. Het bestaat uit twee ondergrondse tunnels van elk drie kilometer lengte, beide met aan de uiteinden een uiterst precies geslepen, trillingsvrij opgehangen spiegel. In Amerika bouwden vakgenoten nog twee van zulke instrumenten.

Overvliegend vliegtuig
Sociaal gezien was het project ook een nachtmerrie. Van den Brand: “Als je een resultaat boekt, weet je dat je vakgenoten je met veel vragen zullen ontvangen. Dus als we resultaat zouden hebben, wilden we zeker weten dat het echt iets was.” Om die reden besloten de twee consortia gegevens uit te wisselen. Bij één instrument kun je nog weleens een meting doen die wordt veroorzaakt door bijvoorbeeld een overvliegend vliegtuig dat trillingen geeft. Maar bij een meting in twee of meer laboratoria tegelijk kun je dat soort missers uitsluiten. Een andere maatregel was de zogenoemde injectie-commissie: een clubje onderzoekers dat onaangekondigd de spiegels aan het eind van alle tunnels kon laten trillen. Alle analisten moesten leren echt van vals te onderscheiden. 

2010. De drie complexen in Italië en de VS zijn ‘live’. Maar ze meten niets, ook niet na diverse aanpassingen waardoor ze steeds nauwkeuriger worden. “Dat had ik ook niet verwacht”, zegt Van den Brand. “Ik wist dat ze aanvankelijk waarschijnlijk niet nauwkeurig genoeg zouden zijn. We wilden zwaartekrachtgolven van twee botsende neutronsterren meten. We weten dat die veelal in paren voorkomen en uiteindelijk tegen elkaar op knallen. Maar de kans dat we een zwaartekrachtgolf van zo’n botsing zouden kunnen meten, was hooguit een paar procent.”

2012. Het consortium start met de aanleg van een aanpassing, waardoor de gevoeligheid tien keer groter wordt. Van den Brand is nog steeds sceptisch: hij heeft 2022 als stip op de horizon, want dan pas zou de ontwerpgevoeligheid voldoende zijn.

Daar was het dan

2015. Na de nodige aanpassingen start het testdraaien. Dat duurt tot 14 september. “Ik opende m’n mailbox en daar was het: een alarm-mailtje dat de laboratoria iets hadden gedetecteerd. Ik dacht: dat kan niet waar zijn. Ik was erop voorbereid dat we een lange adem moesten hebben, en nu dit... tijdens de test.” De injectie-commissie meldt desgevraagd dat zíj het deze keer niet waren. Een langsrijdende vrachtauto? Fraude? De meting is gedaan in beide Amerikaanse labs – die in Italië is op dat moment uit de lucht – en zoals te verwachten met een tussenpoos van nog geen milliseconde. Dat sloot vrachtauto’s, knaagdieren en aardbevingen uit. En om twee laboratoria die tot de tanden bewapend zijn tegen fraude op exact hetzelfde moment om de tuin te leiden, moet je van goede huize komen.

In de maanden die volgen, putten Van den Brand en collega’s zich uit om hun eigen meting bij het vuilnis te kunnen zetten. Alle mogelijke alternatieve oorzaken sneuvelen echter één voor één. De conclusie: het waren echt zwaartekrachtgolven. Maar waarvan dan? Stellig niet twee botsende neutronsterren, want daarvan zou het signaal er heel anders uitzien. Uiteindelijk, na veel rekenwerk, bleek op 14 september 2015 voor het eerst te zijn gemeten dat twee zwarte gaten op elkaar gebotst waren – een gebeurtenis die aanzienlijk heftigere rimpels in de ruimte doet ontstaan dan een neutronster.

Impact wordt duidelijk

2017. Ruim een jaar na de release van het wetenschappelijke artikel over het 14-september-event, wordt de impact hoe langer hoe duidelijker. Het artikel is bijna vijftienhonderd keer geciteerd. Alle wetenschapsbijlagen stonden er voorjaar 2016 bol van. Het heeft geleid tot het ontstaan van een heel nieuw vakgebied: gravitatiegolvenastronomie. Het is ook voer voor wetenschapssociologen die de samenwerkende wetenschappers nauwlettend in de gaten houden om erachter te komen waarom de samenwerking zo goed gaat. 

Voor Van den Brand blijft het echter om de natuurkundige inhoud gaan. “Uiteindelijk denk ik dat het pas echt interessant wordt als we onze apparatuur nog een factor tien nauwkeuriger hebben gemaakt”, merkt hij broodnuchter op. Dan, met geestdrift: “Na honderden jaren natuurkunde klopt onze beste theorie over hoe de kosmos in elkaar zit helemaal niet met de waarnemingen. Er moet volgens onze theorie namelijk materie en energie zijn die we tot nu toe niet hebben kunnen waarnemen. Dus óf de theorie is fout, of we hebben tot nu toe het grootste deel van het heelal niet direct kunnen waarnemen. Nu kan dat duidelijk worden.”

Hij vervolgt: “Dit is de spannendste tijd om natuurkundige te zijn, vind ik. Toen ik studeerde, was kosmologie nagenoeg inhoudsloos. Het waren wilde ideeën, maar zonder mogelijkheid om ze te testen. En nu... Het grote boek over alles, over het ontstaan van de kosmos... dat boek gaan we de komende decennia schrijven. En we schrijven het maar één keer. Ik vind het fantastisch dat ik erbij ben.”