Einstein Telescope-debat: wordt het een driehoek of toch een L?

De Einstein Telescope, een meetinstrument dat 250 meter onder de grond komt, moet zwaartekrachtsgolven veel nauwkeuriger kunnen meten dan de huidige detectoren. Maar voordat de bouw kan beginnen, moeten een aantal belangrijke vragen worden beantwoord: waar komt het instrument te staan, en krijgt de telescoop de vorm van een driehoek, of komen er twee L-vormige detectoren op verschillende locaties? IO+ sprak met twee betrokkenen bij de Einstein Telescope Pathfinder over de locatie, de vorm en de ontwikkeling van de benodigde technologie.

De Einstein Telescope moet wetenschappers helpen fundamentele vragen over het universum te beantwoorden. Wat gebeurt er wanneer zwarte gaten botsen? En wat kunnen zwaartekrachtsgolven ons vertellen over de geschiedenis van het heelal? 

Hoewel de bouw van de telescoop nog moet beginnen, wordt de benodigde technologie al volop ontwikkeld en getest in de Einstein Telescope Pathfinder. De Pathfinder is een onderzoeksfaciliteit in Maastricht waar wetenschappers technologie ontwikkelen en testen voor de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren, waaronder dus de Einstein Telescope. De faciliteit is opgezet door een internationaal samenwerkingsverband, met onder meer de Universiteit Maastricht en Nikhef als belangrijke partners.

Tijdens een uitgebreide rondleiding over de campus sprak IO+ bij de Pathfinder met Henk Schroen, communicatiemanager van het projectbureau Einstein Telescope EMR, en Gideon Koekoek, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit Maastricht, over de Pathfinder en de toekomstige Einstein Telescope zelf.

De ETpathfinder

Zwaartekrachtsgolven meten: een snelcursus

Voordat Koekoek ingaat op de discussie over de locatie en vorm van de telescoop, legt hij, zoals een natuurkundige betaamt, eerst uit hoe het instrument moet gaan werken. “Zwaartekrachtsgolven worden gemeten met behulp van lasers en spiegels”, steekt hij van wal. “Een laserstraal wordt op een spiegel gericht en teruggekaatst. Door te meten hoe lang het licht onderweg is, kunnen onderzoekers vaststellen of de afstand tussen de laser en de spiegel verandert.” Dat gebeurt met twee laserstralen die elkaar bij terugkomst ontmoeten. Koekoek vertelt dat het meetinstrument zo is afgesteld dat de lichtgolven elkaar normaal gesproken uitdoven. Maar als een zwaartekrachtsgolf passeert, bewegen de spiegels een fractie van hun plek. Daardoor verandert de afstand die het licht aflegt en sluiten de lichtgolven niet meer precies op elkaar aan. “Het licht dooft dan niet volledig uit, maar versterkt elkaar. Die minuscule verandering maakt de zwaartekrachtsgolf vervolgens meetbaar.”

De uitdaging: alle andere trillingen uitsluiten

Meetbaar, inderdaad, maar dat gaat zeker niet vanzelf. De meting is extreem gevoelig. De spiegels mogen alleen bewegen door een passerende zwaartekrachtsgolf, niet door andere omgevingsfactoren. “Niet alleen aardbevingen veroorzaken zulke trillingen; ook menselijke activiteit speelt een rol. Daarnaast veroorzaken de laser en de lichtdeeltjes zelf een vorm van ruis”, licht Koekoek toe. 

Bij de Pathfinder worden verschillende technieken getest die nodig zijn voor de Einstein Telescope, waaronder methoden om ruis te onderdrukken. Wetenschappers onderzoeken onder meer hoe ze spiegels tot extreem lage temperaturen kunnen koelen, en hoe ze met speciale coatings en lasers het licht zo nauwkeurig mogelijk kunnen meten. Ook testen ze vacuümsystemen, uiterst gevoelige sensoren en software die de verschillende onderdelen aanstuurt.

Driehoek of L-vorm: dit zegt de wetenschap

Dan is het tijd om de discussie over de vorm van de Einstein Telescope aan te snijden. Naast me staat de Pathfinder. Ik vraag aan Koekoek en Schroen of die moet worden aangepast als uiteindelijk voor een driehoek wordt gekozen. Koekoek en Schroen reageren resoluut. “Welke vorm de Einstein Telescope uiteindelijk ook krijgt, het meetprincipe blijft hetzelfde. Dat maakt voor wat wij hier testen verder niets uit.” De onderzoekers testen er dus technologie die voor beide ontwerpen bruikbaar is. 

Vanuit wetenschappelijk oogpunt hebben de twee concepten verschillende voordelen ten opzichte van elkaar. Twee L-vormige detectoren die ver uit elkaar staan, kunnen met elkaar worden vergeleken. Zo kunnen onderzoekers lokale verstoringen onderscheiden van echte zwaartekrachtsgolven. Bovendien kunnen ze aan de hand van het verschil in aankomsttijd bepalen uit welke richting een signaal komt. “Dat werkt vergelijkbaar met hoe mensen met twee oren kunnen bepalen waar geluid vandaan komt”, legt Koekoek uit. 

Een driehoek heeft een ander voordeel. Een zwaartekrachtsgolf vervormt de ruimte waar de detector in staat. Daardoor worden sommige armen - elke arm wordt 10 km lang - van de detector iets langer en andere juist iets korter. Als ze deze meetresultaten bij elkaar optellen, is de totale verandering door de zwaartekrachtsgolf in totaal nul. In de afzonderlijke armen is het signaal echter wel meetbaar. Zo kunnen onderzoekers de gezamenlijke meting gebruiken om de ruis in het instrument zeer nauwkeurig vast te stellen. “Die informatie helpt om storingen uit de andere metingen te filteren. Dat is een wetenschappelijk voordeel dat twee afzonderlijke L-vormige detectoren niet op dezelfde manier bieden.”

Politieke situatie speelt een rol

De keuze voor de vorm van de telescoop is niet alleen een wetenschappelijke kwestie. Ook politieke en bestuurlijke belangen spelen een rol. Bij twee L-vormige detectoren kunnen meerdere landen een locatie huisvesten en meeprofiteren van de investering. Dat vergroot de Europese samenwerking, maar vraagt ook om afstemming tussen de betrokken landen over financiering en besluitvorming. Een driehoekige opstelling heeft als voordeel dat de volledige detector op één locatie kan worden gebouwd en onder één bestuurlijk kader valt. Bovendien worden de bouw en de ruimtelijke impact in één regio geconcentreerd.

De verschillende belangen komen onder meer naar voren in de samenwerking tussen Duitsland en Italië. De Duitse deelstaat Saksen heeft de handen ineengeslagen met Sardinië, dat eveneens kandidaat is als vestigingsplaats. De twee regio's pleiten voor twee L-vormige detectoren: één in de Duitse regio Lausitz en één op Sardinië. De uiteindelijke keuze voor de configuratie ligt bij de Board of Governmental Representatives, waarin de deelnemende Europese landen vertegenwoordigd zijn. Tien landen hebben zich inmiddels achter het project geschaard.

De uiteindelijke locatie: Limburg kanshebber

De keuze voor de uiteindelijke locatie is ook nog niet gemaakt. De Euregio Maas-Rijn, met Limburg als middelpunt, is een van de drie kandidaatregio's en heeft goede papieren. Uit eerste haalbaarheidsonderzoeken blijkt dat de ondergrond geschikt is: de zachte bovenste aardlagen dempen trillingen van bijvoorbeeld verkeer en industrie, terwijl de hardere rotslagen eronder mogelijkheden bieden voor de aanleg van de tunnels. Daarnaast ligt de regio midden in de technologiedriehoek Eindhoven-Leuven-Aken, met universiteiten, onderzoeksinstituten en hightechbedrijven die nu al aan de ontwikkeling van de telescoop bijdragen. 

In de Euregio Maas-Rijn is het haalbaarheidsonderzoek naar een driehoekige Einstein Telescope vrijwel afgerond en wordt gewerkt aan het bidbook. Sinds september wordt ook de haalbaarheid van een L-vormige telescoop onderzocht. Daarmee zijn er twee mogelijke ontwerpen die in de Euregio gerealiseerd zouden kunnen worden.

De definitieve locatiekeuze tussen de drie kandidaatregio's – de Euregio Maas-Rijn, Sardinië en Saksen – staat volgens de huidige planning voor de tweede helft van 2027 op de agenda.

Talloze maatschappelijke voordelen

Welke vorm en locatie dan ook, Koekoek en Schroen zijn ervan overtuigd dat de ET, en alle technologie daaromheen, de maatschappij veel zal opleveren. De Einstein Telescope moet uiteindelijk ongeveer een miljoen keer meer zwaartekrachtsgolven kunnen waarnemen dan de huidige detectoren. “Waar onderzoekers nu gemiddeld zo'n veertig metingen per jaar doen, zouden dat er straks tientallen per uur kunnen zijn”, stelt Koekoek.

De ontwikkeling kan ook technologie opleveren die breder toepasbaar is. Schroen: “CERN heeft bijvoorbeeld heel veel technologie opgeleverd voor medische scanners. Zo ontstaat er een hele tak van nieuwe innovatieve bedrijven.” Ook bij de Einstein Telescope is niet precies te voorspellen welke toepassingen de technologie op termijn zal opleveren. De kennis die nu wordt opgedaan, kan over tientallen jaren tot innovaties leiden die we ons nu nog nauwelijks kunnen voorstellen.

Ook onderwijs is een belangrijk onderdeel van het project. Om scholieren bij het project te betrekken, is het Einstein Telescope Education Center opgericht. Het centrum draait inmiddels ruim twee jaar en heeft al meer dan duizend leerlingen ontvangen. 

De definitieve vorm en locatie van de Einstein Telescope liggen dus nog niet vast. Maar terwijl landen en onderzoekers zich over die keuzes buigen, wordt in Maastricht met de Pathfinder alvast volop gewerkt aan de technologie van de toekomst.