Gravitatiegolfsterrenkunde: het openen van een nieuw venster op het heelal | Martin Hendry | TEDxGlasgow

Deze talk werd gehouden op een TEDx-evenement, in de stijl van de TED-conferenties, maar onafhankelijk georganiseerd door een lokaal team. Meer informatie hierover op http://ted.com/tedx

Wist je dat zwaartekracht ruimte en tijd kan buigen en dat klokken sneller lopen op de top van een wolkenkrabber? Martin Hendry beschrijft hoe Einsteins theorie van de zwaartekracht onze moderne wereld vormgeeft en hoe lasers, in het hart van de meest gevoelige wetenschappelijke instrumenten ooit gebouwd, een geheel nieuw venster op de kosmos openen.

Er is een klassieke mythe

die zegt dat als iedereen in China
tegelijkertijd omhoog springt,

de Aarde uit haar as zal worden geschud.

Ik heb de berekeningen
gedaan en ik kan jullie verzekeren

dat de aardas volkomen veilig is.

Maar voor iemand die in de jaren 80
in Groot-Brittannië is opgegroeid,

komen dan de woorden ‘Michael Fish’
en ‘hurricane’ spontaan voor de geest.

Maar zelfs één enkele persoon
die in de lucht springt,

kan, bij wijze van spreken,
de Aarde doen bewegen.

Het probleem is dat het
slechts in beperkte mate zo is.

Veronderstel dat we
een meting konden doen,

niet over springende wetenschappers
die de Aarde doen schudden,

maar een meting zo nauwkeurig

dat ze ons iets over de verandering en
de vorm van de ruimte zelf kon vertellen.

Een verandering door een exploderende
ster halverwege de Melkweg.

Dat klinkt echt als science fiction,

maar in feite bestaat
een dergelijke machine al:

de laserinterferometer,
een van de meest geavanceerde

wetenschappelijke instrumenten
ooit gebouwd.

In een paar jaar tijd gaat hij voor ons

een geheel nieuwe manier bieden
om te kijken naar het universum:

de gravitatiegolfsterrenkunde.

Gravitatiegolven zijn
niet hetzelfde als licht.

Ze zijn geen deel van het licht-
of elektromagnetisch spectrum,

dat gaat van radiogolven
tot gammastraling.

We kennen al veel
verschillende soorten licht

en in de afgelopen 60 jaar of zo

zijn we erg goed geworden
in het onderzoeken van het heelal

met al die verschillende soorten licht.

Of het nu de bouw van een gigantische
radiotelescoop op het aardoppervlak is

of een gammastraalobservatorium
in de ruimte,

we hebben deze verschillende vensters
op de kosmos gebruikt

om ons een aantal verbazingwekkende dingen
te vertellen over hoe het universum werkt.

We hebben de geboorte
en de dood van sterren gezien.

We hebben de harten
van sterrenstelsels onderzocht.

We beginnen nu zelfs
planeten als de Aarde te vinden

in een baan rond andere sterren.

Maar het gravitatiegolfspectrum
zal helemaal anders zijn.

Het zal ons een venster geven
op het heelal,

en enkele van de meest gewelddadige en
energetische gebeurtenissen in de kosmos:

exploderende sterren, botsende zwarte
gaten, misschien zelfs de Big Bang.

Wat zullen we nu leren

van dat gravitatiegolfvenster
op het universum?

Wellicht het meest opwindend
zijn de dingen die we nog niet kennen,

de zogenaamde onbekende onbekenden,

de dingen waarvan we niet eens weten
dat we ze nog niet weten.

Het zal een paar jaar duren,
maar we zijn er bijna.

Voordat we gaan praten
over gravitatiegolven,

gaan we eens nadenken
over de zwaartekracht.

Er is nog een mythe waarvan ik zeker weet
dat iedereen erover heeft gehoord:

die over de appel
op Isaac Newtons hoofd.

Ik ben niet eens zeker
of er fruit bij te pas kwam,

maar vanwaar ook zijn inspiratie,
Newton kwam met een zeer slim idee.

Hij kwam erachter dat hij
dezelfde fysica kon gebruiken

voor het beschrijven van zowel
een appel die van een boom valt

als de Maan in een baan om de Aarde.

Dit noemde hij zijn universele wet
van de zwaartekracht.

Ze zegt dat alles in de kosmos
al het andere aantrekt.

Het is een mooie theorie
en ze is ook heel praktisch bruikbaar.

Ze laat ons allerlei nuttige dingen
doen in onze moderne wereld

en dat al meer dan 300 jaar.

We kunnen vliegtuigen halverwege
rond de wereld laten vliegen

en een raket naar de Maan en terug.

Maar er is een probleem met die wet,
een filosofisch probleem.

Op een zeer fundamenteel niveau
is ze niet echt zinvol,

omdat Newton zegt dat er een kracht werkt
tussen de Aarde en de Maan.

Nou ja, hoe weet de Maan dat het
de bedoeling is om om de Aarde cirkelen?

Hoe geraakt de kracht
van de Aarde naar de Maan?

Dit was een probleem waar niemand minder
dan Albert Einstein zich over verbaasde

in de vroege jaren van de 20e eeuw.

Einstein kwam met
een echt opmerkelijk antwoord.

Nu was Albert Einstein waarschijnlijk
de eerste wetenschapper die beroemd werd.

Hoewel hij stierf in 1955,

verkoos de redactie van Time magazine hem
in 1999 tot persoon van de 20e eeuw.

Hoewel ik moet zeggen dat
bij een publieke stemming op de website

Elvis Presley het haalde.

(Gelach)

Nu ben ik net als iedereen een grote
fan van de muziek van de King,

maar hier ga ik
toch akkoord met de uitgever.

Ik heb zelfs mijn eigenste action figure
van Einstein op de universiteit.

(Gelach)

Waarom werd Einstein nu
de persoon van de 20e eeuw?

Hij liet ons de zwaartekracht
met andere ogen bekijken.

Voor Einstein is de zwaartekracht
niet zozeer een kracht

tussen de Aarde en de Maan
of tussen appels en bomen,

maar een buigen van ruimte en tijd zelf.

Een goede metafoor ziet

de Aarde liggend
op een uitgerekt rubberen vlies,

als een trampoline.

De massa van de Aarde,
de zeer grote massa van de Aarde,

zal dat vlies diep laten doorbuigen.

Dan hoeft de Maan

geen kracht van de Aarde meer te voelen.

De Maan volgt alleen maar
de natuurlijke rondingen en bochten

van ruimte en tijd rond de Aarde.

In feite zei Einstein ook

dat we ruimte en tijd niet meer
moeten zien als afzonderlijke dingen,

dus hoor je mensen praten
over de structuur van ruimtetijd.

Einstein zei dat de zwaartekracht
een buiging is van de ruimtetijd.

De natuurkundige John Wheeler
formuleerde het treffend:

"De ruimtetijd vertelt
materie hoe te bewegen

en materie vertelt
de ruimtetijd hoe te buigen."

Dat klinkt allemaal
heel gewichtig en fundamenteel

over de aard van het universum,

maar het heeft heel
wat praktische toepassingen.

Hier beneden
in de zwakke zwaartekracht van de Aarde,

doet de theorie van Einstein
een zeer opmerkelijke voorspelling,

die je waarschijnlijk
nog nooit eerder is opgevallen.

Wist je bijvoorbeeld

dat klokken trager lopen
op het oppervlak van de Aarde

dan hoog boven de Aarde,

omdat het gravitatieveld er sterker is.

Misschien ken je scène in de film

'Mission Impossible Ghost Protocol',

als Tom Cruise de Burj Khalifa,

het hoogste gebouw ter wereld, beklimt.

Maar zelfs toen hij
op 800 meter boven de grond zat,

ging Toms horloge -- ik weet zeker

dat hij het te druk had
om het op te merken --

een paar miljardsten
van een seconde sneller

dan het beneden op de begane grond
zou hebben gedaan.

Wat maken nu een paar miljardsten
seconden uit tussen vrienden?

Genoeg om een verschil te maken

voor het Global Positioning System.

De gegevens van de gps-satellieten
moeten worden gecorrigeerd

omdat de tijd sneller loopt

op de hoogte
waar de satellieten ronddraaien.

En dat is maar liefst
40 microseconden per dag.

De radiosignalen en microgolfsignalen
van de satellieten

leggen ongeveer 10 kilometer af
in 40 microseconden.

Denk maar aan hoe slecht je gps zou zijn,

als hij een fout van 10 kilometer had.

We zouden allemaal verdomd snel verdwalen.

Dus heeft Einsteins theorie
van de zwaartekracht,

zijn algemene relativiteitstheorie,

praktische gevolgen
voor ons dagelijks leven.

Maar pas diep in de ruimte
krijg je de maximale effecten te zien.

Als de zwaartekracht
over buigen van ruimtetijd gaat,

kunnen we een soort
gedachte-experiment doen.

We kunnen ons voorstellen
dat als je genoeg materie

in een zeer kleine ruimte kon brengen,

de ruimtetijd uiteindelijk
zo veel zou buigen

dat zelfs licht niet kon ontsnappen
aan de klauwen van de zwaartekracht.

Dan heb je een zwart gat gemaakt.

Aan zwarte gaten werd al gedacht
rond de tijd van Einstein.

In 1916, net nadat Einstein
zijn theorie publiceerde,

is er een prachtige paper geschreven
door een jonge wetenschapper,

toen aan het front
in de Eerste Wereldoorlog.

Hij heette Karl Schwarzschild.

Het legde de theorie
van een zwart gat uit.

Zwarte gaten klinken alsof ze thuishoren
in het rijk van de science fiction.

Maar we denken
dat zwarte gaten werkelijk bestaan

en dat voor licht
het ontsnappen uit een zwart gat

echt een Mission Impossible zou zijn.

We vinden zwarte gaten
in de restanten van ontplofte sterren.

We lijken ze zelfs
in superzware vorm te vinden

in het hart van vrijwel elk
melkwegstelsel in het universum.

Als je een zwart gat
zou kunnen verplaatsen

met bijna de snelheid van het licht,

zou dat de ruimtetijd
nogal door elkaar schudden.

Zoals het laten vallen
van een kanonskogel

op het rubber van een trampoline.

Het zou rimpelingen veroorzaken
die zich uitspreiden.

Die rimpelingen noemen we
gravitatiegolven.

Gravitatiegolven
zouden worden geproduceerd

door zaken als zwarte gaten

of door hun iets minder
extreme zwaartekrachtneven,

de neutronensterren.

En als je er twee
tegen elkaar kon laten botsen

dicht bij de lichtsnelheid,

zou dat echt wat golven veroorzaken.

Dat is wat we zoeken

op dit nieuwe gebied
van gravitatiegolfsterrenkunde.

Was het maar zo eenvoudig.

Dat is het plan,
maar het uitvoeren is een harde dobber.

Hoewel de gravitatiegolven

de ruimtetijd kolossaal opschudden
waar de zwarte gaten zijn,

en net als rimpelingen in een vijver
zich verspreiden door het heelal,

worden ze zwakker en zwakker.

Tegen de tijd dat ze
bij de Aarde aankomen,

bedraagt de ruimtetijdvervorming ongeveer

een miljoenste van een miljoenste
van een miljoenste van een meter.

Dat is vrij moeilijk om meten.

Hoe doe je dat?

Het doet misschien denken
aan een goochelshow in Las Vegas,

maar het gebeurt allemaal
met spiegels en lasers.

Je richt een laserstraal op een spiegel,

die ze splitst in twee bundels
die loodrecht op elkaar staan,

weerkaatsen op een spiegel,
dan recombineren,

en dan moet je kijken wat je kreeg.

Als de twee bundels precies
dezelfde afstand hebben afgelegd,

lopen ze precies in de pas met elkaar.

Het zijn lichtgolven, net als
al die andere vormen van licht,

zodat de golftreinen samenvallen.

Maar als ze een andere afstand
hebben afgelegd,

lopen ze uit de pas met elkaar,
en zullen ze met elkaar interfereren -

We noemen dit verschijnsel interferentie,

en daarom worden deze dingen
laserinterferometers genoemd.

Een laserinterferometer
is een cool hebbeding

als je een gravitatiegolf wil detecteren.

Maar vergeet niet
dat het ongelooflijk zwakke signalen zijn,

dus is het een enorme technische uitdaging
om er een te bouwen.

Einstein zei dat
als een gravitatiegolf passeert,

ze de ruimtetijd in onze omgeving
zal uitzetten en krimpen,

maar in ongelooflijk kleine mate.

Daarom proberen we de laserstraal
en haar interferentiepatroon te gebruiken

om ons te vertellen
wanneer er een gravitatiegolf voorbijkwam.

Maar je moet het experiment
echt opschalen en groot maken.

Daarom hebben we LIGO.

LIGO staat voor Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory.

Het is het meest ambitieuze
en verfijnde wetenschappelijke project

ooit ondernomen door
de National Science Foundation in de VS.

In feite zijn er twee LIGO's.

Er is er een in Louisiana
en nog een in de staat Washington.

Samen met twee andere interferometers,

GEO in Duitsland en Virgo in Italië,

is dit ons detectiesysteem
voor gravitatiegolven.

Ze liggen op nogal afgelegen locaties,

en ik denk dat de lokale bevolking
niet echt weet waar ze voor dienen.

Een van mijn collega’s bij LIGO
vloog eens over de Livingstonsite.

Een medepassagier keek naar beneden
naar de detector en zei:

“Ik heb een theorie wat dat is.

Het is eigenlijk een geheime
tijdmachine van de regering.”

Hij wist niet goed hoe te reageren

en zei: “Oké dan, maar waarom de L-vorm?”

En ze zei: “Ah ja,
ze moeten toch ook weer terugkomen.”

(Gelach)

Tijdreizen is echt science fiction,

maar we hopen van harte
dat gravitatiegolven

binnenkort een wetenschappelijk
feit zullen zijn.

Het is nog moeilijk.

Al die zeer kleine effecten

kunnen worden overspoeld
door de lokale gevolgen

van de verstoringen
door het schudden van de grond.

Niet door wat er in het universum gebeurt,

maar vanwege veel alledaagsere
fenomenen hier op Aarde.

Dus monteer je je spiegels

op zeer complexe ophangsystemen

die tegen de grenzen zitten
van de materiaaltechnologie.

Zelfs schudden van de lucht
in de laserstraal

kan ons signaal overstemmen,

dus sturen we de lasers heen en weer

in het ultrahoogste vacuümsysteem
op Aarde,

slechts één biljoenste van de druk
van de lucht die we hier inademen.

Breng dat bij elkaar en geef
een paar honderd miljoen dollar uit,

en hoop dat je wat
gravitatiegolven gaat vinden,

maar er zijn veel wetenschappers nodig
om het te doen.

In Glasgow maken we deel uit van
de LIGO wetenschappelijke samenwerking.

Meer dan 900 wetenschappers
en ingenieurs over de hele wereld

zoeken naar gravitatiegolven.

We hebben ze nog niet gevonden,
[inmiddels wel! - vert.]

maar meerdere detectoren zijn noodzakelijk

omdat je een signaal moet detecteren
in beide LIGO detectoren,

om je te overtuigen
dat je echt iets hebt.

En als je het ook in Virgo
en GEO ziet, des te beter.

Binnenkort hebben we een wereldwijd
netwerk van geavanceerde detectoren

omdat de LIGO’s niet gevoelig
genoeg zijn om de klus te klaren.

Maar ze krijgen zwaardere spiegels,

krachtiger lasers, betere veersystemen,

en we verwachten dat we in 2016

een netwerk gaan hebben van geavanceerde
zwaartekrachtgolfinterferometers

om te zoeken naar gravitatiegolven.

Hoe lang zullen we moeten wachten
om een signaal te krijgen?

We weten het niet echt,
maar op basis van wat wij weten,

denken we niet dat het meer zal zijn
dan een paar maanden.

Op een conferentie van vorig jaar

probeerde een groep van ons
in Polen een datum op te geven

voor wanneer we ze verwachten te zien.

Met gekruiste vingers

voorspelden we
de datum van 1 januari 2017.

Ik wees erop dat er waarschijnlijk
niet erg veel mensen

die dag in Glasgow
aan het werk zouden zijn.

(Gelach)

Maar gravitatiegolven komen.

Er gaat een nieuw venster
op het heelal open

en het is een zeer spannende tijd
om astrofysicus te zijn.

Veel dank.

(Applaus)

[Op 11 januari 2016: eerste melding
van een gravitatiegolf - vert. ]