Veertien miljard jaar terugkijken in de tijd, tot vlak na de oerknal

In een lab van een futuristisch gebouw in Leiden doet een jonge ingenieur een metalen armband om met een zwart gekruld draad eraan. Dat is om een kwetsbaar metalen doosje van 6 bij 6 bij 3 centimeter te beschermen tegen elektrische schokken. Voorzichtig tikt hij tegen het doosje. Op een beeldscherm naast hem tonen gekleurde lijnen hoe het doosje trilt.

Op het eerste oog lijkt het doosje niets bijzonders. Het is gemaakt van grijs metaal, glimt en er lopen enkele dunne draden uit. Maar met dit kleine doosje, een onderdeel van een nieuwe ruimtedetector, willen astronomen iets leren over het ontstaan van de hele kosmos. Ze zijn op jacht naar de verste grens, naar de oudste signalen.

Dat het heelal ontstond met de oerknal, dat weten astronomen wel. Maar wat er precies gebeurde weet niemand. Het is nog niet gelukt om zo ver terug te kijken.

De huidige grens van de waarneming wordt beperkt door het licht. Omdat licht tijd nodig heeft om te reizen geldt: hoe dieper astronomen met hun telescopen in het heelal kijken, hoe verder ze terug in de tijd kijken. Alleen, het jonge universum was gevuld met een ondoorzichtige soep van gloeiend heet plasma onder hoge druk waarin licht niet vrij kon bewegen. Pas ongeveer 380.000 jaar na de oerknal koelde het universum genoeg af om transparant te worden voor licht. Dat licht noemen astronomen de kosmische achtergrondstraling. Verder terugkijken dan dat kan dus niet. Althans met licht niet.

Albert Einstein

Maar tien miljard biljoen triljoenste van een seconde na de oerknal werden vermoedelijk kleine zwaartekrachtsgolfjes de ruimte in gezonden – rimpelingen die het weefsel van de ruimte en tijd samenknijpen, waardoor de afstanden tussen alle hemellichamen die ze passeren, verlengen en verkorten. Zo’n veertien miljard jaar later gaan astronomen die proberen te vangen in de ruimte met de grootste ruimtedetector ooit gebouwd: ESA’s Laser Interferometer Space Antenna (LISA), waarvoor ingenieurs in Leiden onderdelen ontwikkelen, hier bij Netherlands Institute for Space Research (SRON). Als het inderdaad lukt om met LISA die golven van tien miljard biljoen triljoenste van een seconde na de oerknal op te vangen, kunnen astronomen verder terug in de tijd kijken dan ooit. Hoe dan?

Zwaartekrachtsgolven ontstaan bij heftige gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten, en vermoedelijk ook in de gewelddadige periode vlak na de oerknal. Door te berekenen in wat voor soort omstandigheden de zwaartekrachtsgolf ontstond, kunnen astronomen op een andere manier het heelal bestuderen dan met telescopen die licht opvangen.

Detectoren op aarde meten nu al zwaartekrachtsgolven die véél later dan de oerknal verzonden werden. Eind 2015, honderd jaar nadat Albert Einstein hun bestaan voorspelde, was dat voor het eerst. Toen maten de Amerikaanse LIGO-detectoren een zwaartekrachtsgolf die werd uitgezonden toen twee zwarte gaten ruim een miljard jaar geleden botsten.

Lees ook Nobelprijswinnaar Barry Barish vond kogelgaten in zijn zwaartekrachtdetector

Het idee dat zwaartekrachtsgolven ook kort na de oerknal werden uitgezonden, toen het heelal nog piepklein was en er geen sterren en planeten bestonden, vloeit voort uit verschillende natuurkundige theorieën. Volgens natuurkundigen heeft het universum bijvoorbeeld een korte, maar absurd snelle groeispurt gehad vlak na de oerknal. In minder dan een seconde werd het heelal toen 10⁶⁰ keer (zestig nullen) groter. Die zogeheten inflatieperiode was zo heftig dat de ruimtetijd trilde met als gevolg oerzwaartekrachtgolven, die vandaag de dag nog vanuit alle hoeken om de aarde vliegen.

Naast inflatie is er nóg een theorie waaruit volgt dat in het prille heelal zwaartekrachtsgolven werden uitgezonden: toen plots minuscule zwarte gaten ontstonden in het piepjonge universum. Het plasma, de oersoep, was niet overal gelijk verdeeld. Sommige gebiedjes waar massa in de oersoep dicht op elkaar plakte, stortten ineen. De zwarte gaten die daar mogelijk ontstonden veroorzaakten ook zwaartekrachtsgolven.

Er is een probleem, zegt astronoom Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit in Nijmegen via Zoom. Nelemans is een van de leiders van het Nederlandse LISA-consortium. „Die zwaartekrachtsgolven die bijna net zo oud zijn als het heelal zelf kunnen we vermoedelijk niet opvangen met detectoren op aarde.” Met metingen in de ruimte is dat wel mogelijk, legt hij uit.

Nelemans: „Dat komt door de verschillende frequenties van de golven. Zwaartekrachtsgolven die LIGO bijvoorbeeld opvangt, hebben een hoge frequentie, tussen 10 en 1.000 hertz (Hz).” Dat wil zeggen dat de pieken van de golf elkaar snel opvolgen, met 10 tot 1.000 oscillaties per seconde. „Maar oerzwaartekrachtsgolven zijn, wanneer ze aankomen op de aarde na hun reis van 14 miljard jaar, helemaal uitgerekt door de uitdijing van het heelal.” Doordat het heelal uitdijt, worden de ruimtes tussen de pieken van de golven steeds langer; de frequentie wordt kleiner. Oergolven kunnen zich uitstrekken over miljoenen kilometers. „We weten niet precies hoe groot die golven zijn, maar verschillende theorieën voorspellen golflengtes in het bereik van LISA, die naar lange golven gaat kijken.”

Om lange golven op te vangen is een gigantische detector nodig. Daarom gaat LISA naar de ruimte: in een baan om de zon vijftig miljoen kilometer van de aarde. LISA bestaat uit drie identieke satellieten die ieder een punt van een driehoek vormen. De satellieten zullen tweeëneenhalf miljoen kilometer uit elkaar komen te staan. Onderling zenden ze laserstralen heen en weer en als een zwaartekrachtsgolf passeert, worden die stralen ietsje uitgerekt of samengeperst.

Die veranderingen in de lengte van de armen zullen minuscuul zijn, omdat de zwaartekrachtsgolven van het prille heelal extreem zwak zijn. LISA moet een verandering kleiner dan de breedte van een tiende van een atoom kunnen detecteren in een laserarm die zelf 2,5 miljoen kilometer lang is.

Die nodige ultragevoeligheid maakt de bouw van LISA lastig. Alles moet extreem stil hangen in de ruimte om ervoor te zorgen dat de laserarmen alleen door zwaartekracht bewegen en door niets anders. Kleine stuwraketten moeten bijvoorbeeld heel exact tegendruk bieden tegen druk van geladen deeltjes vanuit de zon die tegen de satellieten duwen en tegen bewegingen veroorzaakt door de satellieten zelf.

Hier is het metalen doosje van SRON belangrijk. In het Leidse lab opent de jonge ingenieur René Wanders de deur van een soort grote oven, de klimaatkast. Het doosje van 6 bij 6 bij 3 centimeter is een prototype van het LISA-onderdeel dat de veranderingen in de lengte van de laserarmen moet gaan uitlezen: de quadrant photo receiver (QPR). „Hier testen we hoe het doosje functioneert tussen de laagste en hoogste temperatuur waaraan onderdelen blootgesteld worden tijdens de lancering en erna: tussen ongeveer nul en veertig graden Celsius.” Het doosje is gemaakt van een stuk aluminium en een stuk titanium, een combinatie die weinig uitzet bij opwarming.

„Wat LISA gaat opvangen zal een soort achtergrondruis zijn die de laserarmen constant een klein beetje laat bewegen”, zegt Nelemans. „De golven ontstonden in een piepklein heelal dat later uitdijde. Dus die golven komen uit alle richtingen. Als een soort geroezemoes. Je weet niet wat iedere stem zegt, maar over al die stemmen bij elkaar kun je bijvoorbeeld wel afleiden of het van kinderen of bejaarden komt.”

Lees ook Er zoemt een ruis van zwaartekrachtsgolven door het heelal

Maar als het LISA straks inderdaad lukt het geroezemoes van de oerknal op te vangen en hiermee de verste waarnemingsgrens verlegt, dan betekent dat niet meteen dat de vondst daadwerkelijk licht werpt op de periode net na de oerknal. Want niet alleen zit er een grens aan hoe ver terug astronomen kunnen waarnemen, „er zit ook een grens aan onze hersenen”, zegt Vincent Icke. Hij is hoogleraar theoretische sterrenkunde aan de Universiteit Leiden. „We hebben nog helemaal geen idee wat we ons natuurkundig moeten voorstellen bij de periode net na de oerknal, en wiskundig al helemáál niet.”

De twee natuurkundige gereedschappen die de wereld om ons heen beschrijven, de quantummechanica voor kleine deeltjes en de algemene relativiteitstheorie voor grote, botsen in die periode met elkaar. „In de quantumtheorie is het gedrag van deeltjes onbepaald, dat wil zeggen aan toeval onderhevig. Maar in de algemene relativiteitstheorie ligt het gedrag van ruimte, tijd en materie strikt vast. Het is nog niemand gelukt om die tegengestelde eigenschappen met elkaar te verzoenen. Het conflict is er altijd, maar alleen vlak na de oerknal en vlak bij de horizon van zwarte gaten speelt het de hoofdrol.” Dus stel dat het straks lukt zwaartekrachtsgolven op te vangen, dan hebben we nog geen idee hoe we ze moeten interpreteren.”

Terwijl ingenieurs in onder meer Leiden onderdelen van LISA ontwikkelen, bouwen ingenieurs in bijvoorbeeld Japan aan andere manieren om de verste waarnemingsgrens te verleggen. Zij werken aan een satelliet, LiteBIRD. Die gaat niet diréct oerzwaartekrachtsgolven meten, zoals LISA dat doet. LiteBIRD gaat op zoek naar de ‘vingerafdrukken’ van zwaartekrachtsgolven in de kosmische achtergrondstraling.

„Omdat zwaartekrachtsgolven de ruimte vervormen, verandert het licht dat door die ruimte heen reist ook”, zegt Rien van de Weijgaert, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Rijksuniversiteit Groningen. Een lichtstraal is een golf die in verschillende richtingen kan rimpelen: horizontaal, verticaal of iets daar tussenin. Licht van bijvoorbeeld de zon rimpelt alle richtingen op, oftewel het is ‘ongepolariseerd’. Maar de kosmische achtergrondstraling is door zwaartekrachtsgolven in een bepaalde richting geschud, oftewel het is ‘gepolariseerd’.

De lancering van LiteBIRD, in 2028, staat negen jaar eerder gepland dan die van LISA. De vraag is alleen nog of de satelliet gevoelig genoeg gaat zijn om die veranderingen te meten.”

Leeg en donker

Astronomen en ingenieurs over heel de wereld bouwen detectoren om de waarnemingsgrens te verleggen, „maar het idee van een waarnemingsgrens is geniepig en complex in een uitdijend heelal”, benadrukt Van de Weijgaert. Er zijn verschillende soorten waarnemingshorizonnen die continu veranderen. Ingenieurs werken aan het verleggen van een ‘technische’ waarnemingsgrens, maar het gebied waarvan we signalen kunnen opvangen, de zogeheten event horizon, wordt steeds kleiner door de versnelde uitdijing van het heelal.”

Dat zit zo: „Door de versnelde uitdijing worden verre sterrenstelsels steeds sneller uit elkaar getrokken. We zien dus dat hemellichamen die ver van de aarde af staan steeds sneller van ons weg bewegen. Wanneer hemellichamen uiteindelijk met de snelheid van het licht van ons af bewegen, dan kunnen we de signalen ervan, zowel zwaartekrachtsgolven als licht, niet meer opvangen. Ze liggen dan achter een denkbeeldige waarnemingsgrens, achter de event horizon. Dan zijn ze voorgoed onzichtbaar.”

En doordat het heelal steeds sneller uitdijt, zullen sterrenstelsels die nú relatief dichtbij zijn, ooit ook te snel van ons af bewegen om waar te nemen. De event horizon wordt steeds kleiner.

Uiteindelijk zullen alle sterrenstelsels buiten het sterrenstelselscluster waar de Melkweg (‘ons’ sterrenstelsel) bij hoort achter de event horizon getrokken worden. Alles daaromheen is dan leeg en donker. Het sterrenstelselcluster zweeft als een eiland in een voor het oog zwarte zee. De architectuur van het heelal is dan niet meer te bestuderen, ook al bouw je nog zulke sterke telescopen of detectoren. Een naderende waarnemingsgrens betekent ooit het einde van de kosmologie”, zegt Van de Weijgaert. Maar dat duurt nog miljarden jaren.