Samen met Sardinië is de grensregio Zuid-Limburg in de race als locatie voor de Einstein Telescope: een geavanceerde en uiterst gevoelige onderzoeksfaciliteit voor het waarnemen van gravitatiegolven. Het voorlopige ontwerp gaat uit van een omvangrijk onderaards observatorium dat bestaat uit drie grote ondergrondse ruimten die met elkaar zijn verbonden door drie tunnels van tien kilometer lang.

Einstein voorspelde ze in 1915 al, maar pas een eeuw later, op 14 september 2015, zijn ze voor het eerst aangetoond: gravitatiegolven, bewegingen van de ruimtetijd die zich door het universum verspreiden, zoals de rimpelingen na het gooien van een steen in een vijver. Een verschil is wel dat de gravitatiegolven zich voortbewegen met de lichtsnelheid.

“Het mooie van gravitatiegolven is dat je daarmee veel verder in het verleden kunt kijken dan met lichtgolven”, legt Frank Linde, hoogleraar bij het Nikhef in Amsterdam, uit. “Tot 400.000 jaar na de oerknal was de dichtheid van het universum zo groot, dat er geen licht doorheen kwam. Met lichtgolven kun je dus niet verder terugkijken. Met gravitatiegolven kan dat in principe wel, hopelijk tot vlak na de oerknal, wat perspectief biedt op allerlei nieuwe kennis over de ontwikkeling van het heelal. Daar staat tegenover dat deze golven tot nu toe heel moeilijk zijn te detecteren, onder andere omdat ze slechts een uiterst minieme veranderingen van de ruimtetijd veroorzaken. Zo vervormde de vier kilometer lange buis van de detectoren in de VS bij de eerste waarneming slechts zo’n 10-18 meter. Je hebt dus extreem precieze en gevoelige apparatuur nodig om dat te kunnen meten.”

Gevoeliger

“Voor het waarnemen van gravitatiegolven werken onderzoekers met zogeheten interferometers. Deze bestaan uit twee exact even lange vacuümbuizen die haaks op elkaar staan. Door deze drie tot vier kilometer lange buizen sturen ze met spiegels laserlicht dat na terugkaatsing wordt opgevangen door een lichtgevoelig instrument, de detector. De onderzoekers zorgen ervoor dat de teruggekaatste lasergolven in de normale situatie precies in tegenfase zijn, waardoor de golven elkaar bij de detector uitdoven. Komt er nu een gravitatiegolf langs, dan wordt de ene buis iets uitgerekt en de andere juist iets samengeperst. Daardoor gaan de lichtgolven ‘uit de pas’ lopen en doven ze elkaar niet langer uit. Als de detector eventjes een lichtflikkering meet, weten de onderzoekers dus dat de ruimtetijd tijdelijk is vervormd.”

‘Voor serieuze kennisontwikkeling willen we ook minder sterke golven kunnen waarnemen, zodat we verder terug in de tijd kunnen kijken.’

“De huidige interferometers zijn nu zo gevoelig dat ze de sterkste gravitatiegolven kunnen opvangen. In de praktijk betekent dat jaarlijks zo’n vijftig waarnemingen en als we ze nog verder weten te optimaliseren misschien maximaal een paar honderd waarnemingen per jaar. Voor serieuze kennisontwikkeling willen we ook minder sterke golven kunnen waarnemen, zodat we verder terug in de tijd kunnen kijken. Dat vereist een gevoeliger instrument waarmee we op termijn jaarlijks tot wel 100.000 gravitatiegolven zullen waarnemen. Om dat mogelijk te maken, willen we onder meer de lengte van de buizen van de laser-interferometer verlengen. Verder willen we de gehele installatie verplaatsen naar de ondergrond. Op twee- tot driehonderd meter beneden maaiveld hebben we minder last van verstoringen uit de omgeving, zoals trillingen veroorzaakt door een langsrijdende vrachtwagen. We hebben weliswaar allerlei slimme technieken om dat soort ongewenste trillingen teniet te doen, maar hoe gevoeliger de apparatuur, hoe lastiger het is om verstoringen te voorkomen.”

Beeld: Nikhef

Driehoek

“Voor de Einstein Telescope, zoals de beoogde interferometer heet, gaan we uit van een andere configuratie dan de vier bestaande systemen”, vertelt Linde. “Die hebben allemaal twee buizen haaks op elkaar. Wij denken aan een gelijkbenige driehoek met zijden van tien kilometer lang. Door een extra buis toe te voegen kun je namelijk drie in plaats van één interferometer maken. Dat maakt de enorm hoge investeringen voor de aanleg van de tunnels en zalen wat rendabeler. Op ieder hoekpunt van de driehoek komt een grote ondergrondse zaal, waarin we de meet- en onderzoeksapparatuur plaatsen. Om de gewenste gevoeligheid te behalen, is het noodzakelijk dat deze zalen in een stabiele laag komen met zo min mogelijk omgevingsruis.”

De locatie voor de Einstein Telescope moet dan ook aan specifieke eisen voldoen. Zo dient de bodem waarin de onderzoeksfaciliteit komt stabiel te zijn. Verder is het belangrijk dat er bovengronds zo min mogelijk trillingopwekkende activiteiten zijn. Bovendien zijn een netwerk van kennisinstellingen en hightechbedrijven in de directe omgeving, voldoende financiële middelen en een prettige en goed bereikbare woonomgeving wenselijk. Dat laatste is van belang omdat de verwachting is dat een nieuwe interferometer alleen al aan circa tweeduizend wetenschappers en technici werk zal bieden, waarvan er circa driehonderd permanent op de locatie aanwezig zullen zijn.

‘De verwachting is dat een nieuwe interferometer alleen al aan circa tweeduizend wetenschappers en technici werk zal bieden.’

“Als je al deze voorwaarden bekijkt,” zegt Bjorn Vink van Antea Group, ”komt de grensregio van Zuid-Limburg goed uit de bus. De afgelopen tijd hebben we een verkennend geologisch onderzoek gedaan in de omgeving van Terziet, in het uiterste puntje van Zuid-Limburg. Daar hebben we een zone gevonden met een geschikte geologische opbouw. In een boorgat in deze zone voeren we nu metingen uit om onder andere de hoeveelheid omgevingsruis vast te stellen en de demping van de bovenliggende lagen. Ondertussen hebben we via de Europese Unie een Interreg-subsidie aangevraagd voor uitgebreider geologisch onderzoek en extra boorgaten.”

Uitdagende werkzaamheden

Linde: “Mocht rond 2022-2023 de keuze voor de locatie van de Einstein Telescope op regio Zuid-Limburg vallen, dan betekent dit dat er een gigantisch grote ondergrondse onderzoeksfaciliteit moet worden gebouwd. Zo zijn er naast de drie onderzoekszalen ook diverse andere ondergrondse ruimten nodig. Tussen de onderzoekszalen moeten tunnels komen van tien kilometer lang met een binnendiameter van ruim zes meter. En om alle onderzoeksapparatuur, bouwmaterialen en bouwmaterieel naar de ondergrond te transporteren, zijn drie brede verticale schachten nodig. Kortom, uitdagende en omvangrijke werkzaamheden voor partijen die zich bezighouden met ondergronds bouwen.”

De eerste waarnemingen

“Einstein stelde in zijn relativiteitstheorie dat gravitatiegolven ontstaan als enorm grote massa’s heen en weer schudden”, legt Linde uit. “Door deze golven veranderen ruimtelijke verhoudingen kortstondig. Als de lengte in een bepaalde richting iets toeneemt, dan neemt tegelijkertijd de lengte in de richting haaks hierop iets af en omgekeerd.”

In 2015 werd voor het eerst een verandering van de ruimtetijd waargenomen in twee interferometers in de VS. De waarneming duurde slechts twee tiende van een seconde. Analyses toonden aan dat gemeten gravitatiegolven waren veroorzaakt door het steeds sneller om elkaar heen draaien en uiteindelijk versmelten van twee grote zwarte gaten 1,4 miljard lichtjaar hiervandaan. In 2017 werd een nieuwe bron van gravitatiegolven gemeten. Deze keer duurde de waarneming, die op twee locaties in de VS en een in Italië werd gedaan, bijna een minuut. Het betrof een botsing tussen twee neutronensterren met een enorm hoge dichtheid. Doordat er metingen waren op drie locaties konden de onderzoekers vrij nauwkeurig de plaats van de botsing bepalen en doorgeven aan astronomen. Toen zij met geavanceerde telescopen in die richting keken, zagen ze hevige gammaflitsen; röntgenstraling die vrijkomt bij bijvoorbeeld kernexplosies.