De waarneming van zwaartekrachtgolven was voor Kip Thorne de bekroning van een zoektocht die zowat vijftig jaar in beslag nam. ‘De jongere versie van mezelf zou vandaag wellicht niet in dit soort onderzoek terechtkomen.’
In 1916 gaf Albert Einstein met zijn relativiteitstheorie een nieuwe invulling aan begrippen als zwaartekracht, ruimte en tijd. Het zou net geen honderd jaar duren vooraleer de zwaartekrachtgolven die hij voorspelde voor het eerst gemeten werden. Het leverde theoretisch natuurkundige Kip Thorne samen met Rainer Weiss en Barry Barish de Nobelprijs voor Natuurkunde op.
Hun ontdekking kwam niet uit de lucht vallen. In 1969 haalt Joseph Weber de wereldpers. Zijn meettoestel, een staafdetector, vindt bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtstraling. Her en der in de wereld bouwen wetenschappers zijn instrument na, maar niemand kan zijn resultaat bevestigen. Tegelijk werken verschillende onderzoeksgroepen aan een detector die berust op een heel ander principe: interferometrie.
Hoe heeft u als jonge onderzoeker die tijd beleefd?
‘Ik herinner me nog levendig mijn deelname aan de Zomerschool voor Theoretische Fysica in het Franse Les Houches in 1963. Weber begeesterde mij toen met zijn uiteenzettingen over zwaartekrachtgolven. Zijn methode blijkt achteraf niet de juiste keuze, maar zonder hem zou de jacht op zwaartekrachtgolven nooit zo’n vaart gelopen hebben. Pas in de jaren 2000 bereikten we trouwens met interferometrie een hogere gevoeligheid dan met de staafdetector.’
De eerste meetcampagne van LIGO, van 2002 tot 2010, leverde helemaal niets op. Bracht dat het geloof in zwaartekrachtgolfdetectie niet aan het wankelen?
‘We wisten dat we in principe niets zouden meten in die periode. De eerste detectoren waren niet gevoelig genoeg om de zwakke signalen van zwaartekrachtgolven waar te nemen. Het was van meet af aan duidelijk dat het pas zou lukken met de tweede generatie.
En dan is het eindelijk zover: op 14 september 2015 meet LIGO voor het eerst een zwaartekrachtgolf. Toch kwam de officiële aankondiging ervan pas maanden later. Wat zat daarachter?
‘Toen ik het signaal zag binnenkomen, leek het te mooi om waar te zijn. We dachten dat een medewerker ons wou testen. Af en toe wordt er namelijk bewust een vals signaal in de gegevens gestopt, om de alertheid van de data-analisten te testen. Pas een tweetal maanden later raakten we overtuigd dat het een echt signaal was.’
De zoektocht had even goed op niets kunnen uitdraaien. Heeft u nooit spijt gehad dat u niet voor een ‘veiliger’ onderzoeksdomein gekozen had?
‘Hoegenaamd niet! Zoals Rai Weiss het wel eens zei: ‘Het hele proces was zo leuk’. Het is achteraf gezien uitgedraaid op een enorm succes. Maar zelfs als we gefaald hadden, zou ik het mij nooit beklaagd hebben. Er kwamen zoveel aspecten van de fysica bij kijken. Dat maakte het bijzonder interessant.’
U bent als theoretisch natuurkundige in het experimentele onderzoek gerold. Hoe heeft u de brug kunnen slaan tussen beide werelden?
‘Decennialang was relativiteitstheorie het domein geweest van wiskundigen, vrijwel zonder link met het experimentele. Maar als masterstudent aan de universiteit van Princeton voelde ik dat dit aan het veranderen was. Daarom verdiepte ik me ook in experimentele wetenschap, onder meer naar zwaartekracht. Ik deed ook experimenten in de deeltjesfysica met de cyclotron die in het natuurkundegebouw van Princeton stond. Zo bleek ik goed geplaatst als interface tussen theorie en experiment.’
Er zijn heel wat verschijnselen die zwaartekrachtgolven kunnen veroorzaken. U was er in de jaren 1980 al van overtuigd dat de samensmelting van zwarte gaten ons het beste perspectief op detectie bood. Hoe kwam u daartoe?
‘Begin jaren 1970 lagen supernovae in poleposition. Later kwam de samensmelting van compacte sterren in beeld, zoals neutronensterren. Van zwarte gaten waren we toen niet eens zeker of ze wel bestonden, laat staan dat ze konden samensmelten. Maar botsende zwarte gaten hebben een veel grotere massa dan neutronensterren, redeneerde ik, dus je kan ze tien keer verder in het heelal meten. Mijn – achteraf gezien correcte – inschatting was dat dit zou overcompenseren voor het eventueel kleiner aantal ervan.’
Als je al het zeldzame genoegen hebt om een Nobelprijs te winnen, laat die doorgaans decennia op zich wachten. In uw geval ging het bijzonder snel. Wat zegt dat over het belang van de ontdekking?
‘Het is nog sterker, want bij de uitreiking verontschuldigden ze zich dat ze de prijs niet een jaar eerder hadden toegekend! Maar blijkbaar hadden we op het ogenblik van onze communicatie de deadline voor nominatie al overschreden. Toen ik het telefoontje uit Zweden kreeg, was ik in zekere zin ontgoocheld omdat de prijs niet naar het voltallige team ging. We hebben het dan maar wat gecompenseerd door zoveel mogelijk teamleden naar Stockholm te laten komen bij de uitreiking. Ik denk dat we met 75 waren.’
‘Maar inderdaad, dat de erkenning zo snel kwam toont aan hoe belangrijk zwaartekrachtgolfdetectie is voor de wetenschap. Uiteindelijk heb je – voor zover we weten – maar twee soorten golven die je informatie geven over wat zich ver weg in het heelal afspeelt: de elektromagnetische, die we meten met telescopen zoals we die sinds Galileo verder ontwikkeld hebben, en zwaartekrachtgolven.’
Er staan heel wat initiatieven op stapel rond zwaartekrachtgolfdetectie: de Einsteintelescoop hier bij ons, de Cosmic Explorer in de VS, LIGO-India, en zelfs een zwaartekrachtgolfdetector in de ruimte, LISA. Hoe kijkt u naar die ontwikkelingen?
‘Echt prachtig! Ons begrip van het heelal zal grondig veranderen door wat we intussen multimessengerastronomie zijn gaan noemen. Daarbij meet je verschijnselen met verschillende instrumenten, zoals telescopen, zwaartekrachtgolfdetectoren en neutrinodetectoren.’
Verwacht u dat we uiteindelijk ook zwaartekrachtgolven van de Oerknal zelf zullen kunnen meten?
‘Op indirecte wijze moet het in de komende tien jaar lukken door te kijken naar de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling. Voor directe metingen verwacht ik veel van zwaartekrachtgolfdetectoren in de ruimte. Voor de eerste daarvan, LISA, komt dit wellicht nog iets te vroeg, maar de opvolger ervan, de Big Bang Observer, zou ons rond 2050-2060 het antwoord moeten kunnen geven. Als we eenmaal de geschiedenis van de uitdijing van het heelal goed in kaart gebracht hebben, komen we misschien zelfs de aard van donkere energie op het spoor.’
U heeft de opeenvolgende theorieën van Newton en Einstein, en in de toekomst mogelijk quantumgravitatie, wel eens vergeleken met matroesjka’s, de houten poppetjes die in elkaar passen. Denkt u dat er een binnenste poppetje bestaat, dat we ooit een theorie van alles zullen vinden?
‘Dat weet ik niet. Ik verwacht wel dat we zullen kunnen achterhalen of er al dan niet een diepste laag bestaat – dat zal iets zijn voor de generatie van mijn kleindochter, ook een fysicus trouwens.’
Recent bracht u, samen met kunstenaar Lia Halloran, het boek The Warped Side of the Universe uit, een boek vol tekeningen, gedachten en gedichten over diepe vragen. Hoe ziet u de relatie tussen kunst en wetenschap?
‘De natuurwetten zijn geschreven in de taal van de wiskunde. Die is erg betrouwbaar, maar tegelijk ook omslachtig en traag. Daarom moet je een soort intuïtie ontwikkelen die je leert welke berekeningen de moeite waard zijn om uit te voeren, en waar je er ongeveer mee zal uitkomen. Bij mij gebeurt dit aan de hand van beelden.’
‘Net als mijn goede vriend, de betreurde Stephen Hawking, denk ik immers in geometrische structuren en beelden. Dat maakt kunst en wetenschap voor mij nauw verweven. Daarnaast speelt verbeelding ook een belangrijke rol in wetenschapscommunicatie.’
De toekomst is aan de jongeren
Zou u jongeren aansporen om hun talent in te zetten voor het onderzoek naar zwaartekrachtgolven?
‘De periode van oogsten is aangebroken in de zwaartekrachtgolffysica. En het zal de komende decennia alleen maar meer worden. Maar tegelijk wil ik toch benadrukken dat je in deze discipline hoofdzakelijk in big science-modus verkeert, met grootschalige samenwerkingsverbanden. Ik moet je bekennen dat dit mij niet zo goed ligt. De jongere versie van mezelf zou vandaag wellicht niet in het onderzoek naar zwaartekrachtgolven terechtkomen.’
‘Vandaar mijn voornaamste advies: hou bij je keuze rekening met je eigen persoonlijkheid. En ook: om succesvol te zijn, zal je hard moeten werken. Kies dus iets waar je veel vreugde uit haalt, zodat je dat harde werken kan opbrengen.’
Kim Thorne en Thomas Hertog over de Einstein-telescoop + docu: The Faraway, Nearby
De nieuwe ondergrondse Einstein telescoop wordt Europa’s meest geavanceerde observatorium voor zwaartekrachtsgolven. Waarom hebben we zo’n telescoop nodig? Waarom is de detectie van die zwaartekrachtgolven zo essentieel voor de fysica? En welk land krijgt hem? Nederland, België en Duitsland onderzoeken samen of ze dit observatorium van wereldklasse kunnen huisvesten. Op zaterdag 23 maart om 19.00 uur spreken Kip Thorne en Thomas Hertog erover tijdens Docville in Leuven. Deze lezing wordt meteen gevolgd door de wereldpremière van The Faraway, Nearby.
Meer informatie over dit evenement vind je hier.
Eos mocht 5 duotickets weggeven voor dit evenement. De tickets zijn inmiddels verloot en de winnaars zijn op de hoogte gebracht. De winactie is nu afgelsoten.
