Als een reusachtige stemvork moet gravitatie-antenne Minigrail de rimpeling oppikken, die er door het heelal gaat als er twee zwarte gaten botsen. Nu is het belangrijkste onderdeel gearriveerd: een forse bol.
Bruno van Wayenburg
'Kijk.' Arlette de Waard klapt in haar handen naast haar nieuwe aanwinst, een
glanzende metalen bol ter grootte van een forse strandbal met kleine sensoren
erop geplakt. Een oscilloscoop slaat uit, wijst natuurkundige De Waard trots
aan. De 1200 kilogram zware kolos trilt na door haar handklap, als was het een
vederlicht microfoonmembraan. Indrukwekkend, zo'n gevoeligheid, maar nog lang
niet genoeg voor het opvangen van gravitatiegolven. Maar dat is wel het doel van
de bol, een gevaarte met een diameter van 65 centimeter, hangend in een stellage
in het Kamerlingh Onnes-laboratorium.
Gravitatiegolven, dat zijn de
rimpelingen in de ruimte die volgens Einsteins relativiteitstheorie worden
uitgezonden door massa's met een veranderende versnelling. Ze planten zich voort
met de lichtsnelheid, gaan overal doorheen, maar laten alleen zelden sporen na.
Alleen extreem gewelddadige gebeurtenissen in het heelal, zoals supernova's en
botsende sterren, veroorzaken volgens de theorie gravitatiegolven die krachtig
genoeg zijn om ze op aarde te kunnen meten.
Heilige graal
Zo'n golf veroorzaakt bij het passeren van een voorwerp als De Waards metalen
bol een vervorming van een miljardste van de diameter van een atoom. Het
betrappen van een zwaartekrachtgolf is daarom bepaald geen sinecure. Ondanks
dertig jaar gravitatie-antennes bouwen, is het dan ook nog nooit iemand gelukt.
De primeur op zich zou al een heel wat krachtiger rimpeling geven in de
wetenschap. Einsteins theorie over zwaartekracht, tijd en ruimte wordt andermaal
bevestigd, en astronomen krijgen een nieuw speeltje. Naast lichtgolven zouden ze
ook gravitatiegolven kunnen gaan gebruiken om de hemel in kaart te brengen.
Een werkende gravitatiegolfantenne is daarom de heilige graal van promovenda
De Waard, haar collega Luciano Gottardi en van haar begeleider, prof.dr. Giorgio
Frossati. De antenne in wording heet Minigrail. Het is een kleinere versie van
het door geldgebrek niet doorgegane project Grail, de GRavitational Antenna In
Leiden.
'Arlette werkt er zestien uur per dag aan. Zonder vakanties', zegt
Frossati, wiens naam vereeuwigd is in het opschrift 'Giorgiopolis' boven op de
stellage waar de bol in hangt. In het domein van de antennebouwers is de drukte
sinds twee weken flink opgevoerd. De bol die het centrale onderdeel is van de
gravitatiegolfantenne, kwam toen na lang wachten aan uit Brazilië. Hij is daar
naar precieze specificaties gegoten uit een legering van koper en aluminium,
zonder sporen van magnetische metalen als ijzer.
Minigrail heeft goede kansen
Zulke sporen zijn namelijk funest voor de 'kwaliteit' van de bol, vertelt De
Waard. Die vakterm geeft aan hoe lang de bol blijft natrillen als een stemvork,
wanneer hij aangeslagen wordt. Hoe hoger de kwaliteit, hoe gevoeliger de
detectie, zegt De Waard, die in het zoeken naar materialen met een hoge
kwaliteit heel wat tijd heeft zitten.
Eenmaal in Leiden is de bol met kabels
opgehangen aan een dunne metalen stang. Het doorgeven van trillingen uit de
buitenwereld langs deze stang moet zo veel mogelijk voorkomen worden. Aan de
stang komen daarom nog zeven gewichten te hangen die zulke trillingen moeten
dempen met een forse dempingsfactor van duizend biljoen: een één met vijftien
nullen.
Dat de hele stellage op een speciaal 'trillingsvrij eiland' in de
laboratoriumvloer is gebouwd, spreekt dan bijna vanzelf. Om ook de kleinste
trillingen door warmte verder uit te bannen, zal de bol in een enorm vloeibaar
heliumvat gekoeld worden tot een temperatuur van tien tot vijftien duizendste
graden boven het absolute nulpunt. De afkoelingsoperatie, waarbij het helium
langs de bol gepompt wordt, neemt ongeveer een week in beslag. Speciale extreem
gevoelige sensoren, nog in ontwikkeling door promovendus Gottardi, zullen de
trilling in de bol moeten oppikken.
'De bol heeft een eigenfrequentie van
3000 Hz', vertelt De Waard. 'Dat betekent dat de antenne gevoelig is voor
gravitatiegolven rond die frequentie. We mikken daarmee op botsende kleine
zwarte gaten', legt De Waard uit, 'stelsels van twee zwarte gaten van een paar
zonnemassa's die steeds sneller om elkaar heen cirkelen tot ze met veel
natuurgeweld op elkaar klappen.' Ergens in het opvoeren van de draaisnelheid
zendt zo'n doldraaiend stelsel precies de gravitatiegolven uit waar Minigrail
gevoelig voor is. Ook van stelsels van neutronensterren bij veel grotere gewone
sterren worden meetbare gravitatiegolven verwacht.
Riskant
Op haar computer laat De Waarde een simulatie van een botsing tussen zwarte
gaten zien, ook op een beeldscherm nog een indrukwekkende klap. 'De schatting is
dat meetbare botsingen tussen eens per week en eens per half jaar voorkomen',
vertelt de promovenda, 'dus je hoeft niet superlang te wachten tot de kans zich
voordoet.' 'Maar eigenlijk is er veel onbekend over dit soort gebeurtenissen,
dus kan het ook vaker zijn', bespiegelt ze. 'Een bekend
gravitatiegolvendeskundige, Kip Thorne, zei tegen me: 'we weten er zo weinig
van. Bouw dat ding nu gewoon maar, je weet gewoon niet zeker wat je ermee
aantreft'.'
Simpel als dat klinkt, het bouwen van Minigrail heeft heel wat
voeten in aarde gehad. In 1994 begon Frossati met het project Grail, een bol van
drie meter diameter, die bij een frequentie van 750 Hz moest meten. Zijn
onderzoeksvoorstel werd verschillende keren afgewezen door onderzoeksfinancier
FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie). 'Te riskant', smaalt Frossati. Twee
jaar geleden begonnen de natuurkundigen met het bouwen van Minigrail,
voornamelijk van eigen geld. 'De bol kostte twaalfduizend dollar', zegt hij.
Voor de fase waarin gemeten gaat worden moet de hoogleraar nog geld vinden, al
heeft hij goede hoop dat financier NWO, de Nederlandse organisatie voor
Wetenschappelijk Onderzoek, over de brug komt.
Intussen zitten de
concurrentie niet stil. Frossati's landgenoten draaien al sinds de jaren tachtig
de staafvormige antenne Nautilus in Rome en AURIGA bij Padova, en in de
Verenigde Staten wordt voor een slordige vijfhonderd miljoen dollar LIGO
gebouwd, een stelsel van kilometerslange vacuümtunnels. Daarbinnen moeten
bundels laserlicht de extreem kleine vervormingen door passerende
gravitatiegolven gaan betrappen. Maar op papier is Minigrail bij 3000 HZ
gevoeliger dan LIGO, voegt De Waard toe.
Na Minigrail zijn er in Italië en
Brazilië ook bolvormige detectoren gepland. De gezamenlijke gevoeligheid van de
gecombineerde signalen van deze drie bolvormige antennes is ook weer een stapje
hoger, zodat de hoofdprijs weer iets bereikbaarder wordt. Zo bikkelhard is de
concurrentie onder gravitatiegolfjagers ook weer niet. 'Met de Italianen van
AURIGA hebben we ook veel samengewerkt', zegt De Waard. Minigrail zal ongeveer
driehonderd keer gevoeliger moeten worden dan AURIGA..
Daarnaast is een
voordeel van de bolvorm dat de onderzoeker ook nog kan zeggen waar de golf
vandaan komt, iets dat met de andere ontwerpen veel minder eenduidig is te
meten. Bovendien, zegt De Waard, is het apparaat door zijn compacte ontwerp veel
sneller af te koelen, en langer aan de gang te houden. 'AURIGA deed bijna een
maand over het afkoelen, en wij waarschijnlijk vier dagen.'
In een complexe
meetopstelling gaat altijd wel weer iets mis, stuk of ontbreekt de juiste
instelling. Dan moet er weer opgewarmd worden, dus is de afkoeltijd bepalend
voor hoe lang een antenne in totaal kan werken, wachtend op die ene
gravitatiegolf.
'AURIGA is afgestemd op een supernova binnen ons
melkwegstelsel, maar die komen maar eens in de vijftig jaar voor', vertelt De
Waard, 'In 1987 was het zover, maar toen stond hij toevallig op
kamertemperatuur.' Jammer voor de Italianen.
Verlossing
Mocht het in Leiden met Minigrail met de hulp van het heelal wel lukken, 'dan zou dat echt heel spectaculair zijn. Dan is het echt groot feest', verzucht De Waard. Op zijn vroegst eind dit jaar kunnen de eerste metingen aan het apparaat uitgevoerd worden. Pas na op zijn vroegst een paar jaar, als de gevoeligheid stapsgewijs wordt opgevoerd, volgt het echte speuren naar gravitatiegolven. 'Ik heb er een goed gevoel over', besluit De Waard over de kansen op het ene verlossing brengende signaal. 'Maar als het dan zover is, dan houden we er zeker niet mee op', waarschuwt Frossati.
Meer op: minigrail.nl
