Komt de Einstein-telescoop op één of twee locaties?

Zowel Nederland als Italië is kandidaat om de Einstein Telescope te mogen huisvesten. Daarvoor ligt een driehoekig ontwerp klaar, maar de organisatie achter ‘s werelds gevoeligste detector voor gravitatiegolven onderzoekt ook een variant met twee L-vormige detectoren, zo werd onlangs bekend. Hoe zit dat?

Er wordt al jaren gewerkt aan de Einstein Telescope, althans aan de voorbereidingen voor het enorme instrument. Er ligt een ontwerp, een driehoek met zijden van tien kilometer lang, met op elk hoekpunt twee V-vormige interferometers (zie het kader voor een uitleg over de werking van de Einstein Telescope).

Het instrument moet gravitatiegolven veel gevoeliger gaan meten dan bestaande detectoren in de Verenigde Staten (LIGO), Japan (KAGRA) en Italië (Virgo). Het extreem gevoelige apparaat komt onder de grond te zitten, op een diepte van bijna driehonderd meter, om verstoringen van buitenaf zoveel mogelijk te beperken. Voor de locatie zijn, al jaren, twee plekken in de race: de provincie Limburg en het Italiaanse eiland Sardinië. De bouw van de Einstein Telescoop is grofweg begroot op 2 miljard euro.
 

Bodem

Op beide plekken doen wetenschappers momenteel onderzoek naar de bodem: is die wel geschikt om in te boren voor het bouwen van de detector? Dit levert boorkernen van de ondergrond op, en in de gaten worden seismische sensoren aangebracht.

‘Door verderop een trilling te genereren en die te meten, doe je kennis op over de opbouw van de ondergrond’, vertelt Andreas Freise, hoogleraar Gravitational Wave Physics aan de Vrije Universiteit in Amsterdam en projectleider voor de internationale Einstein Telescope-organisatie. Freise doet al vele jaren onderzoek naar gravitatiegolven en was ook betrokken bij eerdere detectoren, zoals Virgo.

Dit bodemonderzoek moet een kaart van de ondergrond bij de Limburgse locatie opleveren. Daarnaast stellen hydrologen een model op van de ondergrondse waterstromen. Freise: ‘Al deze dingen willen we in kaart hebben voor we onder de grond gaan bouwen, maar ook voor de gebouwen bovengronds en voor het aanleggen van de toegangsschachten.’

 

Zo werkt de Einstein Telescope
Je zou hem het gevoeligste meetapparaat ter wereld kunnen noemen, de Einstein Telescoop. Dat is een instrument ontworpen om gravitatiegolven te detecteren, rimpelingen in de ruimte-tijd die zo nu en dan langskomen vanuit de ruimte. De golven worden veroorzaakt door grote gebeurtenissen in het heelal, zoals botsingen tussen gigantische objecten of het samensmelten van twee zwarte gaten.
De Einstein Telescope is zo gevoelig dat metingen gebaseerd zijn op verplaatsingen van spiegels ter grootte van 10^-19 meter. Om een gevoel te geven: dat is een miljoenste van de doorsnede van een atoom. Tussen die spiegels gaan laserbundels heen en weer. Normaal gesproken doven die twee bundels die in tegenovergestelde richting gaan, elkaar uit. Maar op het moment dat er een gravitatiegolf langskomt, rekt de afstand tussen de spiegels een beetje uit (of krimpt in) en dan versterken de lichtbundels elkaar juist, wat te meten is als een lichtsignaal. Meer weten? Kijk dan op de uitstekende website van het project.

 

L-vormige detectoren

Naast het driehoekige ontwerp voor de detector onderzoekt de organisatie achter de Einstein Telescope nu ook een andere optie: twee L-vormige detectoren, zo bleek uit een recent nieuwsbericht in Nature. Zo’n ‘L’ heeft armen van vijftien kilometer lang en in deze variant zou er een onder de grond bij Maastricht komen, en een op Sardinië. Bijna duizend kilometer van elkaar verwijderd zouden de twee L-en één grote detector voor zwaartekrachtsgolven vormen.

Maar waar komt ineens het idee voor de L-vormige detectoren vandaan? ‘Om eerlijk te zijn heeft deze optie de hele tijd op tafel gelegen, alleen met dat Nature-artikel krijgt ze voor het eerste brede aandacht’, zegt Freise. Ook het Amerikaanse Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), het meetinstrument dat voor het eerst de theorie van Einstein bevestigde door in 2016 gravitatiegolven daadwerkelijk te meten, bestaat uit twee L-vormige detectoren.
 

Driehoek het beste ontwerp

Voor de Einstein Telescope kwam in 2010 de driehoek naar boven als waarschijnlijk het beste ontwerp, ‘maar op de achtergrond bleef de L-vorm altijd een optie’, zegt Freise. ‘Op dit moment doen we meer gedetailleerde studies naar de verschillende varianten en ligt opnieuw de vraag op tafel welke de beste is. Ons doel is om zoveel mogelijk accurate informatie te verzamelen over de twee varianten, waarmee de regeringen dan een goede vergelijking kunnen maken tussen de driehoek en de twee L-en. Vervolgens is het een politieke keuze welke het wordt. De politici mogen de afweging maken tussen wetenschappelijke aspecten, kosten, de haalbaarheid van varianten en risico’s.’
 

 

Nadelen zijn er ook

Op zich zou één enkele L-detector ook al een gravitatiegolf kunnen meten, maar de wens is om een krachtiger instrument te bouwen, zegt Freise. Door twee L-en op grote afstand te zetten, is accurater te meten vanuit welke richting de golf kwam. ‘Maar nadelen zijn er ook. De kosten zullen hoger zijn, want je moet op twee locaties bouwen onder de grond. En het runnen van de uiteindelijke Einstein Telescope is complexer wanneer er twee locaties zijn.’
 

CERN

Zelf heeft Freise een voorkeur voor de driehoeksvariant. ‘Omdat één locatie de kans biedt om hét centrum voor gravitatiegolvenonderzoek te creëren. Eén plek waar alle wetenschappers moeten zijn voor onderzoek naar gravitatiegolven, maar waar ook samenwerking plaatsvindt met bedrijven en waar burgers kunnen langsgaan om iets te leren over natuurkunde en wetenschap. Denk aan een centrum vergelijkbaar met wat CERN is voor het onderzoek naar elementaire deeltjes.’

Op dit moment heeft de driehoek de voorkeur in Nederland, en heeft de L-vorm meer aanhangers in Italië, ziet Freise. ‘Er heerst een vriendelijke concurrentie. Maar de beslissing zal worden genomen op basis van harde feiten. Dat wordt een politiek proces, op basis van de feiten en getallen die wij verzamelen.’
 

Kans van slagen

Wat nu als uit het verkennende onderzoek blijkt dat de L-vorm een betere kans van slagen heeft? Freise: ‘Dan ben ik de eerste om te zeggen: let’s do it! Welke variant het ook wordt, we weten dat hij zo’n honderd keer beter wordt dan bestaande detectoren, dus het belangrijkste is dát de Einstein Telescope er komt.’

Het onderzoek naar de twee varianten loopt nog zeker tot 2026. Dan is het aan de politiek om een keuze te maken: één grote Einstein Telescope op één plek, of een arm van het instrument in Limburg en een in Italië.


Openingsbeeld Impressie van het Limburgse heuvelland met daaronder de Einstein Telescope. Illustratie Marco Kraan / Nikhef