Nobelprijs Natuurkunde voor oud-Lorentzhoogleraar
De Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2017 is uitgereikt aan Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne voor hun ontdekking van zwaartekrachtgolven. Thorne was in 2009 in Leiden Lorentzprofessor. De Leidse hoogleraar Jan Willem van Holten legt uit waarom dit zo’n belangrijke ontdekking is. ‘Er is een nieuwe tak van de sterrenkunde geboren.’
Jan Willem van Holten is Bijzonder hoogleraar Theorie van superzwaartekracht en kosmologie. Zijn eigen onderzoeksterrein is de algemene relativiteitstheorie, en daar horen inmiddels ook de zwaartekrachtgolven bij. Hij geeft ook college over het onderwerp aan Leidse studenten natuurkunde. Van Holten legt uit waarom de ontdekking van deze golven zo bijzonder is, dat deze een Nobelprijs verdient.
Trillingen in het zwaartekrachtveld
‘Bijna alles wat we nu weten over de kosmos weten we dankzij waarnemingen met telescopen (licht) en radiotelescopen (radiogolven) op aarde, of röntgentelescopen aan boord van satellieten. Daarmee kunnen we planeten, sterren of kometen en gaswolken waarnemen. Ook is er een warmtegloed overgebleven van de oerknal, de kosmische achtergrondstraling die bestaat uit microgolven. Einstein voorspelde in 1916 dat er ook trillingen in het zwaartekrachtveld moeten bestaan die zich met dezelfde snelheid als het licht voortplanten: 300 000 km/seconde.’
Meetkunde van de ruimte
‘Het bijzondere van zwaartekracht is echter dat volgens Einstein’s algemene relativiteitstheorie zwaartekracht niets anders is dan de meetkundige vorm van de ruimte: het is de kromming van de ruimte die er voor zorgt dat planeten en sterren afgebogen worden in hun beweging, niet een of andere geheimzinnige aantrekkingskracht. Die kromming ontstaat overal waar massa aanwezig is; zo kromt de zon de ruimte in ons deel van het universum, waardoor planeten hun rondjes blijven draaien. De conclusie is dat zwaartekrachtgolven eigenlijk golven in de meetkunde van de ruimte zijn die door bewegende objecten zoals sterren worden uitgezonden. Die golven maken de afstanden tussen twee punten in de ruimte periodiek groter en kleiner.’
LIGO-detector
‘Het gaat hierbij om een miniem effect. Einstein zelf dacht dat het waarschijnlijk nooit waargenomen zou gaan worden. Toch is het Rainer Weiss, Barry C. Barish en Kip S. Thorne gelukt, met de LIGO-detector die in de VS staan. Hierin lopen lichtstralen van lasers een paar honderd keer heen en weer tussen twee spiegels op zo’n 4 km afstand van elkaar. Als de afstand een klein beetje langer wordt doet het licht er langer over, als de afstand korter wordt komt het licht iets sneller terug. Als je twee van die lichtbundels neemt, loodrecht op elkaar, en de looptijd van de een wordt langer dan van de ander, dan komen ze niet meer helemaal gelijk terug. Dat tijdsverschil is nu gemeten in beide detectoren gelijktijdig; dat bewijst het bestaan van zwaartekrachtgolven. Ook kun je zien dat het verschijnsel periodiek is, waaruit de frequentie en de golflengte van de golven bepaald kunnen worden.’
Leids tintje
‘De drie winnaars van de Nobelprijs 2017 hebben deze doorbraak mogelijk gemaakt. Rainer Weiss heeft als eerste het principe van metingen met laserbundels bedacht. Kip Thorne, die in 2009 in Leiden Lorentzhoogleraar was, heeft veel werk verzet in het vormgeven aan de theorie van de zwaartekrachtgolven, en Barry Barish heeft het project in goede banen geleid en was verantwoordelijk voor de realisatie van de LIGO instrumenten.’
Nieuwe tak van de sterrenkunde
‘Met deze ontdekking is een nieuwe tak van sterrenkunde geboren die niet met telescopen maar met zwaartekracht-antennes werkt. In augustus van dit jaar is er opnieuw een signaal van zwarte gaten geweest dat ook door de Europese Virgo-detector is waargenomen. De hoop is van veel meer objecten in het heelal zwaartekrachtgolven te gaan detecteren, en misschien zelfs wel zwaartekrachtstraling afkomstig van de oerknal.’