Het Nederlands BlackGEM-observatorium maakt jacht op kosmische bronnen van zwaartekrachtgolven. De Nederlandse astronoom Paul Groot wil met vijftien robottelescopen de hele sterrenhemel in het oog houden en elk variërend en knipperend lichtpuntje registreren.
De astronomen van de Radboud Universiteit Nijmegen waren in het najaar in een opperbeste stemming. Op een testopstelling bij het ASTRON-instituut in Dwingeloo was een nieuwe telescoop geplaatst, met een spiegelmiddellijn van 65 centimeter. Niet extreem groot, maar wel zeer lichtsterk, met een groot beeldveld en uitgerust met een uiterst gevoelige CCD-detector (ladinggekoppeld element), die diepgekoeld wordt door een in Leuven gebouwde cryostaat, een thermostaat voor zeer lage temperaturen.
Normaal is het een tijdrovende klus om alle onderdelen en subsystemen van zo’n instrument goed op elkaar af te stemmen. In Nijmegen was het meteen raak. De eerste proefopnamen van de sterrenhemel waren vrijwel perfect. Zuiver puntvormige sterretjes tot aan de rand van het beeldveld, een probleemloze bediening, storingsvrije elektronica, … de nieuwe telescoop doorstond alle tests met glans.
Paul Groot, het hoofd van de afdeling sterrenkunde van de universiteit, kon zijn geluk niet op. Vijf jaar eerder had hij het plan opgevat jacht te maken op kosmische bronnen van zwaartekrachtgolven. Zijn droom: vijftien robottelescopen die samen de sterrenhemel in het oog houden en elk variërend en knipperend lichtpuntje registreren. Op die manier moet het mogelijk zijn de zichtbare straling te detecteren van botsende neutronensterren en zwarte gaten op miljarden lichtjaren afstand in het heelal. Dat zijn catastrofale verschijnselen waarbij zwaartekrachtgolven worden opgewekt.
Nu de Nijmeegse tests met het prototype zo succesvol verliepen, kan dit BlackGEM-project echt van start. De eerste drie BlackGEM-telescopen verrijzen naar verwachting volgend jaar op de Europese La Silla-sterrenwacht in Noord-Chili.
Ruimtetijdcontinuüm
Zwaartekrachtgolven zijn trillingen in de ruimtetijd, veroorzaakt door extreem energierijke processen in het heelal. Albert Einstein voorspelde ze ruim honderd jaar geleden al. Volgens zijn relativiteitstheorie zijn ruimte en tijd geen onafhankelijke, absolute concepten. In plaats daarvan is er sprake van een vierdimensionaal ruimtetijdcontinuüm, dat vervormt onder invloed van de aanwezigheid van materie.
De massa van de zon veroorzaakt bijvoorbeeld een kleine kromming in de omringende ruimtetijd. Daardoor worden lichtstralen van verre sterren een piepklein beetje afgebogen, en vertoont het baanvlak van de binnenste planeet Mercurius een geringe extra rotatie. Effecten die wetenschappers lang geleden al maten.
Einsteins relativiteitstheorie voorspelt ook het bestaan van golven in de ruimtetijd. Dat zijn minieme verstoringen in de kromming van die vierdimensionale structuur, die zich met de lichtsnelheid uitbreiden en voortplanten. Zulke zwaartekrachtgolven worden opgewekt door grote massa’s die sterke versnellingen ondergaan, zoals zware, compacte objecten die in een kleine baan om elkaar heen draaien, naar elkaar toe spiralen, en uiteindelijk met elkaar versmelten. Daarbij zijn de massa’s en omloopbanen van zulke objecten bepalend voor de frequentie en de amplitude (de ‘sterkte’) van de resulterende zwaartekrachtgolven.
Neutronensterren
Als twee neutronensterren met elkaar botsen, worden er niet alleen zwaartekrachtgolven geproduceerd. Neutronensterren zijn de kleine, supercompacte overblijfselen van zware sterren die hun leven hebben beëindigd in krachtige supernova-explosies. Ze bevatten meer massa dan de zon, maar al die materie is samengeperst in een bol met een middellijn van minder dan 30 kilometer. De botsing van twee van die bizarre objecten of van een neutronenster en een zwart gat genereert een nucleaire heksenketel waarin grote hoeveelheden zware elementen ontstaan, inclusief edelmetalen zoals goud en platina. Daarbij komt ook een geweldige hoeveelheid elektromagnetische straling vrij, van infrarode straling via zichtbaar licht tot energierijke röntgen- en gammastraling.
Het is die elektromagnetische straling waar BlackGEM jacht op gaat maken. ‘Black’ verwijst naar zwarte gaten, ‘GEM’ staat voor ‘Gravitational-wave Electro-Magnetic counterpart’. Zodra gevoelige instrumenten op aarde een passerende zwaartekrachtgolf detecteren, wordt in een paar minuten de herkomstrichting zo nauwkeurig mogelijk bepaald. De BlackGEM-telescopen draaien vervolgens volautomatisch in de juiste richting, in de hoop het bijbehorende lichtsignaal op te pikken. Dat maakt het mogelijk om de bron van zwaartekrachtgolven nauwkeurig aan de hemel te lokaliseren, om de afstand te bepalen, en om meer te weten te komen over wat zich precies heeft afgespeeld.
Gammaflitsen
De Nijmeegse astronoom Paul Groot weet waarover hij het heeft. Twintig jaar geleden was hij de eerste die op soortgelijke wijze het raadsel van de mysterieuze gammaflitsen oploste, samen met zijn collega Titus Galama.
Gammaflitsen zijn korte uitbarstingen van extreem energierijke gammastraling, die gemiddeld een tot twee keer per dag ergens aan de hemel plaatsvinden. Hoewel er anno 1997 duizenden waren waargenomen, voornamelijk door een grote ruimtetelescoop van de NASA, wist niemand waardoor en op welke afstand ze werden veroorzaakt. Het zou om relatief kleine explosies op nabije sterren kunnen gaan of om onwaarschijnlijk krachtige uitbarstingen op miljarden lichtjaren afstand.
Sterrenkundigen waren vroeger nooit gewend aan haastklussen, zegt Groot. ‘Een supernova die vandaag explodeert kan je morgen of volgende week ook nog waarnemen. Bij die gammaflitsen was snel reageren essentieel. Het zichtbare licht dat tegelijk met een gammaflits wordt uitgezonden, dooft in zeer korte tijd.’
In februari 1997 slaagden Groot en Galama erin zo’n optische nagloeier te fotograferen met de William Herschel-telescoop op het Canarische eiland La Palma, slechts enkele uren nadat de Nederlands-Italiaanse kunstmaan BeppoSAX de gammaflits had gedetecteerd. Al snel bleek dat gammaflitsen uit ver verwijderde sterrenstelsels kwamen en dat het om de krachtigste explosies in het heelal gaat.
Revolutie
Met BlackGEM hoopt Groot het gammaflits-succes van 1997 te evenaren of zelfs te overtreffen. ‘De techniek is in de afgelopen twintig jaar enorm verbeterd. Een robot-telescoop is niets bijzonders meer. We hebben de beschikking over veel grotere CCD’s, het transport van grote hoeveelheden data is niet langer een probleem en er bestaan krachtige zoekalgoritmes om veranderlijke lichtstipjes op te sporen. In de begintijd van de gammaflitsen gebeurde dat nog min of meer op het oog.’ Net zoals dat ook voor gammaflitsen gold, zal de eerste optische identificatie van een bron van zwaartekrachtgolven naar alle waarschijnlijkheid een revolutie in het vakgebied veroorzaken.
Het was in 2011, tijdens een sabbatical aan het California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, dat Groot zich voor het eerst realiseerde dat het tijd was voor actie. Met de twee Amerikaanse LIGO-detectoren zochten wetenschappers al jaren naar zwaartekrachtgolven, zonder succes. Niet helemaal onverwacht, de ontwerpers van het Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory realiseerden zich dat de eerste versie van hun detector vermoedelijk onvoldoende gevoeligheid zou hebben om de extreem zwakke ruimtetijdrimpelingen te detecteren.
In 2011 begonnen ze met een ingrijpende upgrade naar Advanced LIGO, met een veel hogere gevoeligheid. Die nieuwe detector zou in 2015 of 2016 klaar zijn. ‘Toen heb ik tegen mijn collega’s gezegd: we moeten nu instappen, want het gaat binnenkort lukken’, zegt Groot.
Zoeken naar ‘nagloeiers’
De eerste detectie van een zwaartekrachtgolf, opgevangen op 14 september 2015 en wereldkundig gemaakt op 11 februari 2016, kwam voor veel wetenschappers eerder dan verwacht. Advanced LIGO was nog maar net ‘aangezet’ en de eerste officiële waarnemingsperiode was nog niet eens begonnen. Tijdens die eerste ‘run’, die tot half januari 2016 duurde, werden nog twee andere zwaartekrachtgolven gedetecteerd.
In alle drie de gevallen ging het om zwarte gaten die in hoog tempo om elkaar heen wentelden, naar elkaar toe spiraalden, en uiteindelijk met elkaar in botsing kwamen. Het zijn onwaarschijnlijk explosieve gebeurtenissen die zich afspeelden in sterrenstelsels op vele miljarden lichtjaren afstand.
Omdat maar twee detectoren deze minieme verstoringen in de ruimtetijd ‘zagen’ – een in de Amerikaanse staat Washington en een in Louisiana – konden de LIGO-wetenschappers de herkomstrichting van het signaal niet nauwkeurig bepalen. Ze konden hooguit een kolossaal, min of meer banaanvormig gebied aan de sterrenhemel aanwijzen waar de bron van de zwaartekrachtgolven zich ergens zou moeten bevinden. Natuurlijk waren er pogingen om in dat gebied te zoeken naar tijdelijke lichtverschijnselen, mogelijke ‘nagloeiers’, maar niemand was er verbaasd over dat die niet werden gevonden. Het was zoeken naar een naald in een hooiberg. Bovendien was niet eens duidelijk of de botsing en versmelting van twee zwarte gaten wel elektromagnetische straling zou produceren.
Tot vijftien telescopen
Vorig najaar ging de tweede waarnemingsperiode van Advanced LIGO van start, met een gevoeligheid van nog eens 10 procent groter. Resultaten zijn nog niet bekend gemaakt, maar de verwachting is dat er gedurende pakweg een half jaar zeker vijf tot tien signalen gedetecteerd worden. Astronomen als Groot kijken reikhalzend uit naar het voorjaar, als ook Advanced Virgo deelneemt aan de jacht. Virgo in de buurt van Pisa in Italië is het Europese equivalent van LIGO en ook deze detector is de afgelopen jaren ingrijpend verbeterd. Met drie waarnemingspunten kan je de herkomst van kosmische zwaartekrachtgolven veel preciezer achterhalen. Het vinden van een optische tegenhanger komt opeens binnen bereik.
Nog steeds beslaan de zoekgebieden aan de hemel tientallen vierkante graden. Ter vergelijking: de volle maan beslaat minder dan een kwart vierkante graad. Bovendien zal het in de meeste gevallen weer om sterk langgerekte zoekgebieden gaan. Daarin schuilt juist de kracht van BlackGEM, zegt Groot. Omdat het observatorium uit meerdere telescopen bestaat, kan je die elk op een ander deel van het zoekgebied richten. In de eerste fase, waarvoor 4,4 miljoen euro beschikbaar is gesteld, worden drie telescopen gebouwd, die elke minuut een opname maken met een gezamenlijk oppervlak van 8,1 vierkante graad. In de toekomst kan je het netwerk eenvoudig uitbreiden naar vier, zes of vijftien telescopen. Dat is Groots uiteindelijke doel.
De BlackGEM-telescopen verrijzen op de Europese La Silla-sterrenwacht, op de plaats waar nu nog het lege gebouw van de voormalige Franse MarLy-telescoop staat. Elke telescoop krijgt zijn koepeltentje en een toren van 7 meter hoog, vergelijkbaar met de toren voor de Nederlandse zonnetelescoop op La Palma. ‘Er is daar ruim voldoende plek voor nog twaalf van die torens’, zegt Groot, die vurig hoopt dat er in de nabije toekomst meer geld beschikbaar komt voor de geplande uitbreiding, mogelijk ook van buitenlandse partners. De eerste drie instrumenten moeten in de zomer van 2018 operationeel zijn.
Kosmische catastofes
Natuurlijk staan de BlackGEM-telescopen niet werkeloos niets te doen als ze geen jacht maken op de optische tegenhangers van bronnen van zwaartekrachtgolven. Met hun grote beeldveld en gevoelige detectoren leggen ze continu de zuidelijke sterrenhemel vast en houden hen in het oog, op zoek naar allerlei andere lichtverschijnselen van voorbijgaande aard (transients), zoals supernova-explosies, vlamsterren, botsingen van planetoïden, nagloeiers van gammaflitsen, enzovoort.
‘Wat zich aan de sterrenhemel afspeelt op tijdschalen van een paar uur is vrijwel onbekend’, zegt Groot. ‘Zeker als het gaat om verschijnselen die zo zwak zijn dat je ze alleen met forse telescopen kan waarnemen.’
De hoop is dat BlackGEM meer licht werpt op de kosmische catastrofes die aanleiding geven tot de productie van zwaartekrachtgolven. Die overlappen deels met de bronnen van gammaflitsen: de allerkortste gammaflitsen komen van botsende neutronensterren. Vermoedelijk kan je zo’n gammaflits alleen zien als je de botsing vanaf de aarde onder een speciale hoek bekijkt. De gammastraling wordt voornamelijk in twee tegenovergestelde richtingen uitgezonden. De kortstondige zichtbare gloed die je vanuit andere richtingen ziet, begint waarschijnlijk als een energierijk blauw signaal, om vervolgens snel rood te kleuren. Althans, dat voorspellen de huidige theorieën.
Californische concurrent
BlackGEM is zeker niet het enige observatorium dat jacht maakt op de ‘elektromagnetische tegenhangers’ van zwaartekrachtgolven. De oude 1,2-meter Samuel Oschin Telescope op de Mount Palomar-sterrenwacht in Californië is de afgelopen jaren bijvoorbeeld omgebouwd tot een robottelescoop met een zeer gevoelige CCD-camera. Deze Zwicky Transient Facility, genoemd naar de Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky, is een van de grote concurrenten van het Nijmeegse project. Maar het Californische project kan slechts een beperkt deel van zijn waarnemingstijd besteden aan de jacht op bronnen van zwaartekrachtgolven. ‘BlackGEM is het enige grote observatorium dat zich straks volledig zal toeleggen op vervolgwaarnemingen van nieuwe LIGO- en Virgo-detecties,’ zegt Groot.
