Om zwaartekrachtgolven te onderzoeken, heb je niet alleen hele lange detectors nodig, maar ook een uitgebreid theoretisch instrumentarium om de opgepikte signalen te kunnen interpreteren. De Amerikaans-Italiaanse Alessandra Buonanno heeft hier een belangrijke bijdrage aan geleverd en zorgde er zo mee voor dat fysici wisten wat ze zagen toen ze in 2015 voor het eerst een zwaartekrachtgolf detecteerden.
Beeld: NASA
Alessandra Buonanno (1968) studeerde natuurkunde aan de universiteit van Pisa in Italië. In 1996 behaalde ze daar ook haar doctoraat. Na twee jaar als postdoc gewerkt te hebben aan het Institut des Hautes Études Scientifiques (IHES) in Parijs, trok ze in 1999 met een postdoctorale beurs naar de Verenigde Staten. Bij het California Institute for Technology (Caltech) kwam ze terecht in het samenwerkingsproject rond de LIGO-detectors voor zwaartekrachtgolven. In de jaren daarna was ze als professor verbonden aan verschillende universiteiten in Frankrijk en in de VS.
Sinds 2014 is Buonanno directeur van het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. In 2021 won ze samen met haar Franse collega Thibault Damour de prestigieuze Balzanprijs, waaraan een bedrag is verbonden van 750.000 euro. Door coronaperikelen werd de prijs pas in juni 2022 overhandigd.
De eerste rechtstreekse detectie van een zwaartekrachtgolf dateert alweer van bijna zeven jaar geleden. Half september 2015 hadden de twee ondergrondse, kilometerslange LIGO-detectors – de ene in de staat Washington en de andere in Louisiana – eindelijk prijs. De opgepikte ‘rimpeling in de ruimtetijd’ bleek afkomstig van twee fuserende zwarte gaten op meer dan een miljard lichtjaar van ons vandaan. Het ging om mastodonten 30 en 35 keer zo zwaar als de zon, en het resulterende zwarte gat van 62 zonmassa’s zwaar verraadde dat er een massa van drie ‘zonnen’ verloren was gegaan. Uitgezonden als energie onder de vorm van, jawel, zwaartekrachtgolven.
Dat het signaal van de fusie van de twee zwarte gaten het intussen bekende chirppatroon had (een steeds sneller stijgende toon die plotseling wegvalt), was geen verrassing zeven jaar geleden. Het was immers al voorspeld en gesimuleerd op basis van de oplossingen van de Einsteinvergelijkingen, zeg maar het theoretische raamwerk van de algemene relativiteitstheorie, die de kromming van de ruimtetijd beschrijft onder invloed van de zwaartekracht. Een belangrijk deel van dat voorbereidende werk was rond de eeuwwisseling al gedaan door de Italiaanse (inmiddels tot Amerikaanse genaturaliseerde) theoretisch natuurkundige Alessandra Buonanno en de Franse theoreticus Thibault Damour. Zij hadden een manier uitgedokterd om de complexe formules van Einstein analytisch op te lossen voor twee naar elkaar toe spiraliserende en finaal fuserende zwarte gaten. Voor dit zogeheten ‘effectieve eenlichaamsformalisme’ ontving het duo eind juni in Bern de prestigieuze Balzanprijs, zowat de grootste wetenschappelijke onderscheiding in Zwitserland én Italië.
Het werk van Buonanno en Damour was cruciaal voor de eerste waarneming en vooral voor de (eerste) interpretatie van een zwaartekrachtgolf. Daarnaast hadden ze hiermee ook een test ontwikkeld om de algemene relativiteit van Einstein te toetsen in een omgeving van extreme zwaartekracht. Een test die de theorie tot op vandaag met glans doorstaat, want wat via het formalisme van Buonanno en Damour uit de Einsteinvergelijkingen rolt, komt perfect overeen met de waarnemingen van zwaartekrachtgolven.
Eos kon Buonanno, die vandaag in Potsdam (Duitsland) het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (‘zwaartekrachtfysica’) leidt, strikken voor een interview.
De historische eerste detectie van een zwaartekrachtgolf leverde in 2017 de Nobelprijs voor Fysica op voor de voortrekkers van de LIGO-samenwerking. Daar hoorde u dus niet bij?
‘De prijs was vooral bedoeld voor de bedenkers en ontwerpers van de zwaartekrachtgolfdetectors. Ons werk richtte zich veeleer op het theoretische luik, op hoe de golven die worden geproduceerd bij fuserende zwarte gaten er wiskundig uitzien. De reden dat we op zoek gingen naar een quasi-analytische oplossing van de Einsteinvergelijkingen, was de enorme rekentijd die numerieke simulaties van dit soort kosmische situaties in de jaren 90 vereisten. Zelfs met supercomputers ging dat toen heel traag. De eerste volledige numerieke simulatie van twee fuserende zwarte gaten kwam er trouwens in 2005. Het had een maand geduurd vooraleer die helemaal was uitgerekend. Ons effectieve eenlichaamsformalisme was toen al ongeveer vijf jaar oud.’
Wat is er zo bijzonder aan jullie effectieve eenlichaamsformalisme?
‘In wezen beschrijven we daarmee twee objecten analytisch (met vergelijkingen, red.) alsof het om één enkel object gaat. Bij twee naar elkaar toe bewegende zwarte gaten is dat dus een hemellichaam met een zwaartekrachtscentrum waarrond de beide gaten in realiteit draaien. Deze beschrijving is mogelijk omdat beide objecten uiteindelijk één worden, en dat ook blijven.’
‘Toen de eerste numerieke resultaten er waren, gebruikten we die om ons formalisme verder te verbeteren. Zo ontstond een nauwe synergie die uiteindelijk leidde tot heel nauwkeurige voorspellingen van wat we konden verwachten als de LIGO- maar ook de Virgo-detectors (de laatste bevindt zich in Italië, red.) de eerste zwaartegolvengolven zouden oppikken.’
Intussen zijn we 2022 en zijn er al een honderdtal zwaartekrachtgolven of ‘events’ gedetecteerd en bestudeerd. Wat leren die ons?
‘Alle waarnemingen zijn nog steeds consistent met de theorie. Bij de overgrote meerderheid gaat het om fuserende, zogenoemde ‘binaire’ zwarte gaten. Maar er zitten ook enkele fusies bij tussen een zwart gat en een neutronenster, en tussen twee neutronensterren. Dit wil trouwens niet zeggen dat er meer zwarte gaten dan neutronensterren zijn, integendeel. Doordat zwarte gaten zo massief zwaar kunnen zijn, kunnen we hun zwaartekrachtgolven gewoon makkelijker detecteren.’
De detectie van zwaartekrachtgolven betekende ook het begin van de zogeheten ‘multi-messsenger-astronomie’. Wat gebeurt er in dit domein?
‘Doordat we meerdere zwaartekrachtdetectors hebben die op grote afstand liggen van elkaar, kunnen we de locatie achterhalen vanwaar een zwaartekrachtgolf werd uitgezonden. Daarop kunnen astronomen dan inzoomen met telescopen die in de meer vertrouwde elektromagnetische straling kijken. Zo kunnen hemellichamen dus vanuit meerdere en uiteenlopende ‘vensters’ worden waargenomen. Het is op die manier dat we bijvoorbeeld de fusie van twee neutronensterren hebben kunnen vaststellen.’
Je belandde eerder onverwachts in het onderzoek naar zwaartekrachtgolven. Hoe ging dat?
‘Eind jaren negentig werkte ik in Parijs als postdoc aan het IHES (een onderzoeksinstituut voor natuurkundigen en wiskundigen, red.). Tijdens een workshop werden de resultaten voorgesteld van een klein prototype van een zwaartekrachtgolvendetector die in de VS, bij Caltech, was gebouwd. Voor mij was dat nieuw, want ik was toen actief in de theoretische kosmologie. Maar ik merkte dat er op die workshop een speciale sfeer hing. Het enthousiasme van de vele jonge mensen was groot. Tegelijk was het nog een heel pril onderzoeksdomein, waarbij het nog helemaal niet vaststond of het ooit wel zou lukken om zwaartekrachtgolven te detecteren. Dat vond ik allemaal heel erg spannend. Ik waagde de sprong en even later was ik aan de slag bij Caltech.’
Toen je naar de VS verkaste was de 20ste eeuw nog niet gedaan. Uiteindelijk zou het nog vijftien jaar duren vooraleer een zwaartekrachtgolf kon worden opgepikt.
‘(lacht) Zei ik al dat ik voor een groot stuk werd gedreven door enthousiasme? Maar dat enthousiasme hield de onderzoeksgemeenschap wel bij elkaar. Aanvankelijk dachten we dat we in de eerste jaren na de millenniumwissel al succes zouden hebben. Wisten wij toen veel dat het nog ruim tien jaar zou duren.’
