Datum: Woensdag 25 maart 2026
Locatie: Museumplein 2
6461 MA Kerkrade
Gravity tour in het Einstein
Telescope Education Centre
In het Discovery museum heeft ons bestuurslid Bert Hanssen exclusief voor de VIZL / KIVI een bezoek kunnen regelen aan het Einstein Telescope Education Centre (ETEC).
De Einstein Telescoop gaat zwaartekrachtgolven meten. Dit zijn minieme rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan bij extreme kosmische gebeurtenissen, zoals het botsen van zwarte gaten of het samensmelten van neutronensterren.
Einstein voorspelde deze golven al in 1916 met zijn algemene relativiteitstheorie, maar ze zijn pas voor het eerst gemeten in 2015. De ET wordt vele malen gevoeliger dan de huidige detectoren (zoals LIGO in de VS en Virgo in Italië).
Het ontwerp: Een ondergrondse driehoek
Om de kleinste trillingen te kunnen waarnemen, moet de telescoop volledig geïsoleerd zijn van invloeden van buitenaf (zoals verkeer, wind en menselijke activiteit).
- Vorm: Een gelijkzijdige driehoek met zijden van 10 kilometer lang.
- Locatie: Zo’n 200 tot 300 meter onder de grond.
- Technologie: In de tunnels lopen laserstralen die door spiegels worden weerkaatst. Een passerende zwaartekrachtgolf rekt de ruimte een fractie van de kern van een atoom uit, wat door de lasers wordt geregistreerd.
De uitrekking waar we het hier over hebben is werkelijk onvoorstelbaar klein. Hoewel de Einstein Telescope tunnels zal krijgen van 10 kilometer lang, is de vervorming die een gemiddelde zwaartekrachtgolf veroorzaakt slechts een fractie van een atoom.
Zwaartekrachtgolven hebben een typische “amplitude” (sterkte) van ongeveer tot .
Als we uitgaan van een sterke golf ():
Lengte tunnel: km ( meter).
Vervorming: meter.
Om dat getal van meter in perspectief te plaatsen:
- Een mensenhaar: Is ongeveer micrometer breed. Dat is 10 biljoen keer groter dan de uitrekking.
- Een atoom: Is ongeveer meter groot. De uitrekking is dus 1.000.000 keer kleiner dan een enkel atoom.
- Een proton is ongeveer meter groot. De uitrekking van de tunnel is dus zelfs nog 100 keer kleiner dan de kern van een atoom.
Wanneer een zwaartekrachtgolf langs de aarde komt, wordt de ruimte hier letterlijk uitgerekt en ingedrukt. Als een golf door jouw kamer zou trekken, zou je een fractie van een seconde een piepklein beetje langer en dunner worden, en daarna korter en dikker.
Waarom merken we er niets van?
De rimpelingen zijn onvoorstelbaar zwak tegen de tijd dat ze de aarde bereiken. De vervorming is kleiner dan de breedte van een atoomkern over een afstand van kilometers. Daarom hebben we extreem gevoelige apparatuur nodig, zoals de Einstein Telescoop.
Tot 2015 konden we het heelal alleen bekijken met licht (radiogolven, röntgenstraling, zichtbaar licht). Maar veel dingen in het heelal geven geen licht af, zoals zwarte gaten.
Met zwaartekrachtgolven hebben we een nieuw zintuig gekregen: we kunnen het universum nu horen. Het is alsof we jarenlang naar een stomme film keken en nu ineens het geluid is aangezet.
Een zwaartekrachtgolf laat de ruimte een beetje krimpen en rekken. Omdat dit een op- en neergaande golfbeweging is, gebeurt dit in de ene richting meer dan in de andere. Bouw je nu zoals bij de Einstein Telescope twee even lange tunnels in verschillende richtingen, dan zal bij het passeren van een zwaartekrachtgolf de ene tunnel net iets korter worden dan de andere.
Om dit lengteverschil tussen beide tunnels te meten, kun je licht gebruiken. Laat je in beide tunnels laserlicht met één vaste kleur heen en weer gaan? Dan zal de lichtstraal in de ene tunnel een net iets kortere afstand afleggen dan die in de andere tunnel. Door het golfgedrag van licht te benutten, kun je dit verschil meten.
Voor het meten van een zwaartekrachtgolf gebruikt men een interferometer. Dit is een L-vormige opstelling met twee lange buizen.
- Er wordt een laserstraal gesplitst en door beide buizen gestuurd.
- Aan het eind hangen spiegels die de laser terugkaatsen.
- Als er een zwaartekrachtgolf langskomt, wordt de ene arm van de ‘L’ een fractie korter en de andere een fractie langer.
- De lasers komen daardoor niet meer tegelijkertijd aan bij het beginpunt, en dat verschil kunnen we meten.
Bij de Einstein Telescope is het de bedoeling dat het laserlicht zo’n 300 keer heen en weer door de 10 km lange buizen gaat. Op deze manier worden buizen van 3000 km nagebootst. Het laserlicht legt dan een afstand af van 6000 km. Mogelijk wordt het aantal weerspiegelingen zelfs groter dan 300.
Als de Einstein Telescope straks af is en er komt een zwaartekrachtgolf langs, dan wil je het liefst dat deze alleen het signaal van de zwaartekrachtgolf meet. Maar omdat dit zo’n ontzettend gevoelig meetinstrument wordt, kan het ook allerlei andere signalen oppikken. Deze signalen zullen de metingen verstoren, want je meet dan de optelsom van het zwaartekrachtgolfsignaal en deze andere signalen. Dit ongewenste deel van het meetsignaal noem je ruis.
Hoeveel last je hebt van ruis bij een meting, hangt af van de verhouding tussen het signaal dat je wilt meten en deze ruis. Is het signaal dat je wilt meten sterk? Dan vormt ruis maar een klein aandeel. Helaas geven zwaartekrachtgolven maar een heel zwak signaal. Daarom kan ruis dit signaal gemakkelijk overstemmen.
Hoe ontstaat ruis in een zwaartekrachtgolfdetector? Dit kan bijvoorbeeld ontstaan doordat onderdelen van de telescoop uitzetten door warmte, of verplaatsen door trillingen. Ook in de lichtdetector – het meetinstrument dat de lichthoeveelheid meet nadat de twee lichtstralen zijn samengevoegd – ontstaat altijd wat ruis.
Om ruis in het meetsignaal van de Einstein Telescope zoveel mogelijk te beperken, zullen speciale technieken worden toegepast. Onderzoekers gaan bijvoorbeeld heel stabiele lasers gebruiken en zullen het laserlicht door vacuümbuizen leiden. Ook zullen ze essentiële onderdelen trillingvrij opgehangen en koelen. Wat er dan nog over is aan ruis, kunnen ze er dan nog uithalen bij het verwerken van meetdata.
Waarom is demping van trillingen zo belangrijk?
Als je trillingen niet dempt, dan verstoren ze je meting. Je meet dan vooral het effect van die trillingen. Hierdoor kun je het signaal van de zwaartekrachtgolf nauwelijks terugvinden in je meetsignaal. Daarom zoeken onderzoekers allerlei manieren om trillingen te dempen.
Wat is resonantie?
Je hebt vast wel eens gemerkt dat iets wat loszit in de auto gaat meetrillen bij een specifieke snelheid van de auto. Bij deze snelheid ‘past’ de trilling veroorzaakt door de snelheid van de auto bij het voorwerp dat meetrilt. Hierdoor gaat dit hard bewegen. Dit noem je resonantie. Rijd je met een andere snelheid? Dan trilt het onderdeel veel minder of niet mee. Wil je het effect van resonantie zelf ervaren? Kijk dan eens bij de stemvorken en bij de opstelling met de gekleurde bolletjes in deze ruimte.
In de Einstein Telescope wil je natuurlijk geen verstoring van je metingen door resonantie. Het ontwerp van de telescoop houdt hier rekening mee. De frequentie waarbij de meetopstelling hard zou gaan meetrillen ligt daarom veel lager dan de frequentie van storende trillingen en van langskomende zwaartekrachtgolven. De telescoop heeft hier dus geen last van.
Foto’s: Bert en Colette Hanssen, Wim Maas, Jos Meens
Bronnen:
Einstein Telescope – Euregio Maas-Rijn (Project website)
De officiële website van het project in Limburg. Hier vind je specifieke informatie over hoe ze de kromming van de ruimtetijd gaan meten in onze eigen achtertuin. einsteintelescope-emr.eu
New Scientist
Voor wie iets dieper in de materie wil duiken. New Scientist heeft een uitgebreid dossier over ruimtetijd, zwarte gaten en de laatste wetenschappelijke ontdekkingen. newscientist.nl/onderwerp/ruimtetijd/
NASA Science: Space Place
Hoewel in het Engels, is dit een van de beste visuele bronnen. Ze gebruiken eenvoudige analogieën (zoals het concept van een laken) om de vervorming van ruimtetijd uit te leggen. science.nasa.gov/science-questions/what-is-spacetime/