Multimessenger-astronomie: het heelal met meerdere zintuigen waarnemen
Stel je voor dat je getuige bent van een auto-ongeluk, maar je mag alleen luisteren naar wat er gebeurde — geen camerabeelden, geen sporen op straat, niets anders. Je zou veel missen: de kleur van de auto's, hoe hard ze reden, wie er precies bij betrokken was. Zo werkte sterrenkunde lange tijd eigenlijk ook: astronomen keken bijna uitsluitend naar licht. Multimessenger-astronomie doorbreekt die beperking. Onderzoekers combineren verschillende soorten signalen — 'boodschappers', in het Engels messengers — die vanuit dezelfde kosmische gebeurtenis naar de aarde reizen, en leggen die naast elkaar.
Een goed voorbeeld: wanneer twee neutronensterren (extreem compacte overblijfselen van uitgedoofde, zware sterren) met elkaar botsen, ontstaat er niet alleen licht. Er gaan ook rimpelingen door de ruimtetijd zelf — zogeheten zwaartekrachtsgolven — en mogelijk piepkleine, nauwelijks waarneembare deeltjes zonder lading, neutrino's genoemd, op reis. Door al die signalen tegelijk op te vangen, krijgen astronomen een veel completer beeld dan wanneer ze alleen naar het licht zouden kijken. Het is vergelijkbaar met een arts die meer weet met een röntgenfoto, een bloedtest én een gesprek met de patiënt samen, dan met slechts een van die drie.
Wat is het precies?
In de sterrenkunde onderscheiden onderzoekers grofweg vier soorten boodschappers. De eerste en oudste is elektromagnetische straling: gewoon licht, maar ook radiogolven, infrarood, röntgenstraling en gammastraling — allemaal vormen van dezelfde soort golf, alleen met een andere golflengte. Hier komt vrijwel alle traditionele sterrenkunde vandaan, van optische telescopen tot radiotelescopen.
De tweede boodschapper zijn zwaartekrachtsgolven: minuscule vervormingen van de ruimtetijd zelf, voorspeld door Albert Einstein in 1915 en pas in 2015 voor het eerst rechtstreeks gemeten. Ze ontstaan wanneer extreem zware objecten, zoals zwarte gaten of neutronensterren, elkaar in een spiraalbeweging naderen en botsen. Detectoren zoals LIGO en Virgo meten deze golven met laserstralen die kilometers lang heen en weer kaatsen in twee loodrecht op elkaar staande tunnels; een zwaartekrachtsgolf verstoort die afstand met een fractie van de diameter van een atoomkern.
De derde boodschapper zijn neutrino's: deeltjes zonder elektrische lading en met vrijwel geen massa, die dwars door sterren, planeten en de aarde heen kunnen reizen zonder iets te raken. Juist daardoor zijn ze zo lastig te detecteren: onderzoekers hebben enorme hoeveelheden materiaal nodig, zoals een kubieke kilometer Antarctisch ijs bij de detector IceCube, om af en toe een botsing te registreren. De vierde boodschapper, kosmische straling, bestaat uit hoogenergetische geladen deeltjes uit de ruimte; hun herkomst is vaak lastig te herleiden omdat magnetische velden hun pad onderweg ombuigen.
Het multimessenger-werk zelf draait om snelheid en samenwerking. Zodra een detector iets bijzonders opvangt, wordt binnen minuten tot uren een wereldwijd waarschuwingsbericht verstuurd naar andere observatoria, zodat telescopen over de hele planeet — en in de ruimte — hun instrumenten razendsnel kunnen richten op de plek waar het signaal vandaan lijkt te komen. Vindt men daar vervolgens ook licht of een andere boodschapper, dan spreekt men van een 'tegenhanger' of counterpart, en is de multimessenger-waarneming compleet.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een vollediger begrip krijgen van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het heelal: botsende neutronensterren, samensmeltende zwarte gaten, exploderende sterren (supernova's) en de omgeving rond superzware zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels. Elke boodschapper vertelt een ander deel van het verhaal; alleen samen ontstaat het volledige plaatje.
Een concreet voorbeeld van wat dit oplevert: astronomen wisten al langer dat zware elementen zoals goud en platina ergens in extreme, kortdurende processen ontstaan, maar wisten niet precies waar. Door een botsing tussen neutronensterren in meerdere boodschappers tegelijk te bestuderen, kon voor het eerst rechtstreeks worden vastgesteld dat dit soort botsingen inderdaad een fabriek is voor zware elementen.
Daarnaast biedt multimessenger-astronomie een onafhankelijke manier om fundamentele natuurkunde te testen, zoals de algemene relativiteitstheorie, en om kosmische afstanden te meten zonder de gebruikelijke aannames — zogeheten 'standaardsirenes', gebaseerd op zwaartekrachtsgolven in plaats van licht. Ten slotte hoopt men eindelijk de bron te vinden van de allerenergetischte kosmische straling en neutrino's, een raadsel dat al meer dan een eeuw openstaat.
Voorbeelden uit de praktijk
GW170817 (2017) geldt als het startpunt van de moderne multimessenger-astronomie. Op 17 augustus 2017 registreerden LIGO en Virgo zwaartekrachtsgolven van een botsing tussen twee neutronensterren. Binnen enkele seconden zagen ruimtetelescopen ook een gammaflits, en in de dagen erna volgden honderden telescopen wereldwijd de langzaam verbleekende 'kilonova' — de gloed van de botsing — in het sterrenstelsel NGC 4993. Voor het eerst werd dezelfde gebeurtenis in zowel zwaartekrachtsgolven als licht waargenomen.
IceCube-170922A en blazar TXS 0506+056 (2017): enkele weken na GW170817 registreerde de neutrinodetector IceCube op de Zuidpool een hoogenergetisch neutrino waarvan de herkomst kon worden herleid tot een actief sterrenstelsel met een naar de aarde gerichte straal deeltjes, een zogeheten blazar. Andere telescopen bevestigden onafhankelijk verhoogde activiteit van diezelfde bron. Dit was de eerste keer dat een neutrino met vrij grote zekerheid aan een specifieke kosmische bron kon worden gekoppeld.
Supernova 1987A (1987) wordt vaak als vroege voorloper genoemd: uren voordat het licht van deze exploderende ster in de Grote Magelhaense Wolk zichtbaar werd, registreerden ondergrondse detectoren al een korte uitbarsting van neutrino's — nog vóór de term multimessenger-astronomie bestond.
De lopende waarnemingscampagnes van LIGO, Virgo en KAGRA (sinds 2023, de zogeheten 'O4'-run) leveren inmiddels tientallen zwaartekrachtsgolfdetecties per jaar op, vrijwel allemaal van botsende zwarte gaten. Een nieuwe neutronensterbotsing met een duidelijke lichtsignatuur zoals in 2017 is echter nog niet opnieuw gelukt.
De planning van de Einstein Telescope, een voorgestelde nieuwe generatie ondergrondse zwaartekrachtsgolfdetector, is een actueel Europees voorbeeld: onderzoekers bestuderen momenteel twee mogelijke locaties, waaronder de Euregio Maas-Rijn (het grensgebied van Nederland, België en Duitsland), als bouwplek voor een instrument dat vanaf de jaren 2030 veel gevoeliger metingen moet mogelijk maken.
Hoe ver is de techniek?
De gevoeligheid van bestaande zwaartekrachtsgolfdetectoren is de afgelopen tien jaar sterk toegenomen, en het aantal detecties groeit met elke waarnemingscampagne. Toch blijft een volledige multimessenger-waarneming, zoals bij GW170817, tot nu toe zeldzaam. Daarvoor moet de gebeurtenis relatief dichtbij plaatsvinden, moeten meerdere soorten detectoren op hetzelfde moment gevoelig genoeg zijn, en moet de waarschuwing snel genoeg bij optische telescopen aankomen voordat het licht van de gebeurtenis alweer is verbleekt. Die laatste stap — snelle, betrouwbare coördinatie tussen tientallen observatoria wereldwijd — blijft een technische en organisatorische uitdaging.
Voor neutrino-astronomie geldt dat het vakgebied nog relatief jong is: IceCube draait sinds 2010 op volle sterkte, en pas sinds 2017 zijn er overtuigende koppelingen met andere boodschappers gemaakt. Een uitbreiding, IceCube-Gen2, is in ontwikkeling om de gevoeligheid te vergroten.
Voor de komende generatie instrumenten geldt dat de meeste zich nog in de ontwerp- of besluitvormingsfase bevinden. De Einstein Telescope en het Amerikaanse zusterproject Cosmic Explorer zijn beide nog niet gebouwd; besluitvorming over locatie en financiering loopt. De Europese ruimtemissie LISA, die zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte moet meten met drie satellieten op miljoenen kilometers van elkaar, staat gepland voor lancering in het midden van de jaren 2030. Kortom: de basisprincipes zijn bewezen, maar het veld bevindt zich nog duidelijk in een opbouwfase, met beperkte aantallen waarnemingen en veel technische ontwikkeling die nog moet plaatsvinden.
Wie werken eraan?
Aan de kant van zwaartekrachtsgolven zijn de belangrijkste spelers de LIGO Scientific Collaboration in de Verenigde Staten (met detectoren in Hanford en Livingston, gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation), de Virgo Collaboration in Europa (met een detector nabij Pisa, Italië) en KAGRA in Japan (een ondergrondse detector bij Kamioka). Deze samenwerkingsverbanden bestaan uit duizenden wetenschappers uit tientallen landen.
Op het gebied van neutrino's is de IceCube Collaboration, met de detector op de Zuidpool en hoofdkwartier verbonden aan de University of Wisconsin-Madison, toonaangevend. Voor de elektromagnetische opvolging spelen ruimtetelescopen zoals Fermi en Swift van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA een grote rol, naast talloze grondgebonden observatoria wereldwijd.
In Nederland is vooral Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica in Amsterdam, actief betrokken, onder meer bij Virgo en bij de planning van de Einstein Telescope. Ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA speelt een sleutelrol, met name via de geplande LISA-missie. Kortom: multimessenger-astronomie is bij uitstek een internationaal samenwerkingsproject, waarbij geen enkel land of instituut het alleen kan.