Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar de ontdekking van zwaartekrachtgolven

Al twee jaar na de meting van zwaartekrachtgolven, krijgt deze ontdekking de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Dat is voor Nobelprijzen razendsnel.

Model voor het ontstaan van complexe zwaartekrachtgolven. MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar de ontdekking van de zwaartekrachtgolven in 2015, die in februari 2016 bekend werd gemaakt. Zoals het Nobelcomité het omschreef: het was een ontdekking die de wereld schokte. Door een uiterst gevoelig meettoestel werd de botsing tussen twee zwarte gaten op miljarden lichtjaren afstand gemeten, in trillingen van het ruimtetijdcontinuüm.

De helft van de prijs gaat naar Rainer Weiss, de andere helft moet worden gedeeld door Barry C. Barish en Kip S. Thorne. Alle drie zijn Amerikanen, Weiss is Duits van geboorte. Alle drie zijn verbonden aan de LIGO/Virgo Collaboration - een internationaal samenwerkingsverband om zwaartekrachtgolven te meten. Kip S. Thorne is ook buiten de natuurkunde bekend geraakt als wetenschappelijk adviseur van de sciencefictionfilm Interstellar, waarin zwarte gaten (en tijdreizen) een grote rol spelen.

Wat zijn zwaartekrachtgolven? Bekijk de animatie door Bruno van Wayenburg

Ontzettend leuk

„Het is geweldig”, zegt hoogleraar Jo van den Brand, woordvoerder voor de Europese Virgo enthousiast aan de telefoon. „Het zat er natuurlijk aan te komen, maar als je het dan echt hoort is dat ontzettend leuk.” Virgo is de Europese zwaartekrachtgolvendetector die nauw samenwerkt met LIGO. Van den Brand: „We werken nauw samen. De analyses van de data doen wij bijvoorbeeld ook gezamelijk.”

De verdeling van de Nobelprijs, de helft voor Weiss en Thorne en Barish ieder een kwart, vindt Van den Brand ook terecht. „Rai heeft het hele project uitgedacht en schreef er al over in 1972”, vertelt hij.

De toekenning werd dinsdagochtend bekend gemaakt door het Nobelcomité van de Zweedse Academie van Wetenschappen. De prijs wordt sinds 1901 jaarlijks toegekend aan wetenschappers die een ‘opmerkelijke prestatie’ in het onderzoek hebben geleverd. De prijs geldt als de belangrijkste wetenschappelijke prijs ter wereld. Meestal worden de prijzen pas jaren na de ontdekking toegekend om te voorkomen dat de prijs gaat naar een ontdekking die later niet blijkt te kloppen. Daarom kreeg indertijd Albert Einstein in 1921 zijn Nobelprijs niet voor zijn spectaculaire en toen nog nieuwe Relativiteitstheorie maar voor zijn oudere en ‘veiligere’ verklaring van het foto-elektrisch effect. Nu werd de zwaartekrachtgolvenontdekking kennelijk betrouwbaar genoeg geacht. Inmiddels zijn er vier zwaartekrachtgolven gemeten, door de Amerikaanse LIGO-installatie. De laatste is ook gemeten door de Europese Virgo.

Opening van een nieuwe wereld

„De ontdekking van zwaartekrachtgolven zelf vind ik eigenlijk veel belangrijker dan de Nobelprijs”, zegt Gijs Nelemans, hoogleraar sterrenkunde aan de Radboud Universiteit. „Al is het natuurlijk wel de kers op de taart.” Want met de detectie van zwaartekrachtgolven gaat er een heel nieuw onderzoeksveld open. Behalve de via elektromagnetische straling, die telescopen meten, kan de wetenschap op nóg een manier naar het heelal kijken: met zwaartekrachtgolven. Zij brengen informatie over verschijnselen die we op geen enkele andere manier direct kunnen worden waarnemen. Zo was de eerste detectie van een zwaartekrachtgolf zelfs de eerste directe meting van een zwart gat. Van Den Broeck: „Ik denk dat als men over honderd jaar terugkijkt, deze ontdekking net zo groot blijkt als die van de eerste telescopen. Er is nog zo ontzettend veel mee te doen.”

De beslissende eerste meetresultaten van een zwartegatenbotsing door de twee LIGO-detectoren. Illustratie Physical Review Letters.

De verdeling van de Nobelprijs vinden Van den Brand en Van Den Broeck ook terecht. „Rai heeft het hele project uitgedacht en schreef er al over in de jaren 70”, vertelt Van den Brand. „Hij is de man die op een stukje papier de detector uitdacht”, voegt Van Den Broeck toe. Thorne en Barish hebben ervoor gezorgd dat de detector er ook echt kwam. „Veertig jaar geleden was er nog twijfel of de minuscule trillingen van de ruimtetijd ooit gemeten zouden kunnen worden. Ze hebben enorm gepusht om te zorgen dat er geld voor de detector kwam.”

De Nederlandse natuurkundige Jo van den Brand typeert de Nobellaureaten als volgt. “Thorne is een theoreticus, iemand die droomt over zwarte gaten. Hij is enorm gedreven en ook erg betrokken. Het is bijzonder dat hij als theoreticus ook veel heeft bijgedragen aan de technische ontwikkeling van de detectoren.

“Weiss is integer en een warm persoon. Maar hij gaat ook recht op zijn doel af. Ondanks zijn leeftijd (85) is hij nog heel scherp en houdt zich nog veel met onderzoek bezig.

“Barish is een goede organisator, een heel systematisch persoon. Hij heeft het LIGO project weer op de rails gezet toen het een rommeltje was geworden door onenigheid tussen MIT en Caltech.”

Einstein had ze al voorspeld

Een van de observatoria waarmee de zwaartekrachtgolven zijn ontdekt. Foto LIGO

De meting van de zwaartekrachtgolven gold als een van de Heilige Gralen van de natuurkunde. Albert Einstein had al in 1915 het bestaan van deze verstoringen van de structuur van de ruimte voorspeld, maar hij meende dat de minieme veranderingen in de ruimte wel nooit gemeten zouden kunnen worden. Maar met de kilometerslange LIGO-detectoren is het honderd jaar later dus toch gelukt.

Laserbundels

De detector bestaat uit een stelsel van infrarode laserbundels die heen en weer kaatsen tussen spiegels, waarmee absurd kleine veranderingen in de lengte van de detectorarmen kunnen worden gedetecteerd. De precisie is één attometer, een duizendste van de dikte van een atoomkern. Een groot deel van het werk in de detector bestaat dan ook uit het opsporen van valse meldingen, zoals bijvoorbeeld een verstoring die wordt veroorzaakt door een passerende auto. Mede daarom zijn er twéé detectoren, die op grote afstand van elkaar liggen in de VS. Alleen een echte zwaartekrachtgolf zal door beide detectoren worden gezien. Sindskort is er ook een derde detector online, Virgo, iets boven Pisa in Italië. Door drie meetpunten is ook de oorsprong van de golf beter na te meten.

Tekening van zwaartekrachtgolven die ontstaan bij de botsing van zwarte gaten. Illustratie NASA

Draaiende giganten

Bij de eerste bekendmaking van de ontdekking van de zwaartekrachtgolven op 11 februari 2016 omschreef Bruno van Wayenburg in NRC de gemeten klap als volgt. “Het ene zwarte gat (een concentratie van massa met zo’n sterke zwaartekracht dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen) had een massa van 30 maal de massa van onze zon, de andere woog 35 zonsmassa’s. In hun laatste seconde draaiden de twee giganten, ter grootte van het land Luxemburg, 75 keer per seconde om elkaar heen, tot ze elkaar opslokten en samen één zwart gat werden van 62 zonsmassa’s. De resterende drie zonsmassa’s zijn omgezet in pure zwaartekrachtgolvenenergie.”

Het prijzengeld is ruim 900.000 euro (te besteden naar eigen goeddunken) en een medaille met een afbeelding van Alfred Nobel Vorig jaar ging de prijs naar ontdekkingen in ‘topologische fase-overgangen van materie’, gedaan in de jaren zeventig en tachtig. Gisteren werd de medicijnenprijs toegekend aan de ontdekking van het moleculaire mechanisme van de biologische klok. Morgen wordt bekend wie dit jaar de scheikundeprijs krijgt. Vrijdag is de dag van de vredesprijs, maandag komt de economieprijs. De datum van de literatuurprijs is nog niet bekend.

Correctie

In een eerdere versie van dit verhaal stond dat Albert Einstein in 1921 de Nobelprijs kreeg voor de ontdekking van het foto-elektrisch effect, waarbij licht in een materiaal elektronen ‘losmaakt’ waardoor er een elektrische stroom kan ontstaan. Maar dat effect is ontdekt door Heinrich Hertz in 1887 en in de jaren 1890 verder onderzocht door Wilhelm Hallwachs en Philipp Lenard. Einstein kreeg de prijs voor zijn quantumtheoretische verklaring van dat effect (in 1905), waarbij hij onder meer het ‘foton’ introduceerde.