NIEUWS: HOOFDARTIKEL - MARE 29, 2001

Leidse bol moet als eerste zwaartekrachtgolven betrappen

Rillingen door de ruimte

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 BraziliŽ. 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 ťťn 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 vacuŁmtunnels. 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 ItaliŽ en BraziliŽ 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