N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Jong geleerd Bewegende zware objecten veroorzaken golven in ruimtetijd. Pawan Gupta berekende hoe dit ons iets kan vertellen over sterren en donkere lading.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data106540195-f6d4ef.jpg)
Het leukste aan natuurkunde vindt Pawan Gupta (29) dat je veel puzzels moet oplossen. Wekenlang kan je aan een probleem werken en geen oplossing zien. „Als je dan eenmaal de uitweg vindt voelt dat geweldig, en kan je lachend terugkijken op hoe erg je daarvoor in de put zat.”
Afgelopen maandag verdedigde Gupta zijn proefschrift in Utrecht. Het eindproduct van allemaal natuurkundige puzzels. Vier jaar lang heeft Gupta voor de Universiteit Utrecht en het Nikhef (Nationaal instituut voor subatomaire fysica) onderzocht hoe we aan de hand van zwaartekrachtsgolven eigenschappen van zware objecten in de ruimte kunnen gaan onderzoeken. „Zwaartekrachtsgolven zijn golven in ruimtetijd die veroorzaakt worden door bewegende zware objecten.”
Tijd en ruimte zijn relatief, en afhankelijk van elkaar. Als je in een raket bijvoorbeeld snel langs de aarde beweegt, gaat de tijd in de raket langzamer dan op aarde. Hierdoor is het beeld van ‘ruimtetijd’ ontstaan, een vierdimensionale structuur waarin tijd de vierde dimensie is. En zowel ruimte als tijd wordt beïnvloed door zwaartekracht.
Gupta: „Je kan je ruimtetijd voorstellen als een elastisch doek en als zich daarin zware objecten bevinden kan je je die voorstellen als ballen die je in die doek laat vallen. Die ballen vervormen het doek. Zo buigt ruimtetijd zich ook om zware objecten.” Een gevolg hiervan is dat de tijd op aarde langzamer gaat dan in een ruimtevaartuig verder in de ruimte, omdat het zich verder van de aarde bevindt.
Golven in ruimtetijd
Het idee dat ruimte en tijd relatief zijn en dat zwaartekracht een kromming van ruimtetijd is, is in 1916 al door Einstein voorspeld in zijn algemene relativiteitstheorie. Hij voorspelde ook dat als zware objecten in de ruimte bewegen, er hierdoor zwaartekrachtsgolven kunnen ontstaan.
Pas in 2015 zijn dit soort golven voor het eerst direct gemeten met de LIGO-laserdetector (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). „In de detector wordt een laser eerst naar de uiteindes van twee gangen van een paar kilometers lang gestuurd die recht op elkaar staan. Spiegels kaatsen deze laserstralen dan weer terug en als de stralen elkaar weer kruisen zouden ze in dezelfde fase moeten zijn. Maar door de invloed van de zwaartekrachtsgolven kan de afstand in één van de gangen veranderen waardoor de laserstralen met elkaar gaan interfereren.”
Er zijn nu plannen voor een nieuwe generatie detectors die in Europa en de VS gebouwd gaan worden. In Europa gaat het om de Einsteintelescoop, die ofwel op het Italiaanse eiland Sardinië ofwel op het drielandenpunt in het Maas-Rijngebied komt. Deze detectoren kunnen met een vergelijkbare technologie veel meer zwaartekrachtsgolven preciezer meten.
Gupta heeft in zijn proefschrift gekeken naar wat we met deze detectoren te weten kunnen komen. Onder andere over neutronensterren. „Ik heb wiskundige modellen ontwikkeld waarmee we, aan de hand van gegevens over zwaartekrachtsgolven die worden veroorzaakt door twee neutronensterren die om elkaar heen draaien, eigenschappen kunnen afleiden over de sterren.”
Neutronensterren zijn sterren met een heel hoge dichtheid. „Ze hebben een straal van ongeveer tien kilometer en een massa die ongeveer gelijk is aan die van de zon. Aan de hand van zwaartekrachtsgolven kunnen we er onder andere achter komen hoe de massa in de ster is verdeeld.”
Daarnaast heeft Gupta ook een model ontwikkeld om aan de hand van zwaartekrachtsgolven meer te weten te komen over donkere materie. „Donkere materie is heel mysterieus. Het is materie die we niet kunnen zien maar waarvan we wel weten dat deze er moet zijn.”
Een hypothese is dat donkere materie eigenlijk donkere lading is. Deze donkere lading zou lijken op een elektron, maar dan met een kleinere lading ten opzichte van de massa. Het idee is dat deze donkere lading zich rond zwarte gaten verzamelt. En door middel van zwaartekrachtsgolven zou dit dan kunnen worden gedetecteerd.
Emotioneel proces
Het grootste deel van Gupta’s onderzoek bestond uit wiskunde en data-analyse. En dus veel puzzels oplossen. En dat was niet altijd makkelijk. „Onderzoek doen is soms ook echt een emotioneel proces. Je gaat iets heel nieuws uitzoeken, dus er zijn altijd veel onvoorziene problemen. Je moet echt een positieve instelling hebben. To dust yourself off and just get ready again and again and again.”
Gupta heeft zijn proefschrift opgedragen aan zijn overgrootvader. „Ik heb heel veel van hem geleerd. Om hard te werken en altijd door te gaan. Hij was boer en ik denk dat hij op verschillende vlakken heel slim was.” Gupta’s familie komt uit een klein dorp in Noord-India, vlak bij de grens met Nepal, waar hij zelf ook opgroeide.
Later is hij in Mumbai natuurkunde gaan studeren. Als enige van zijn gezin is hij zo ver verhuisd om een masteropleiding te kunnen volgen „Daar was alles in het Engels terwijl ik daarvoor eigenlijk helemaal geen Engels sprak. Dus dat was wel heel erg inkomen. Maar de wiskunde was natuurlijk hetzelfde, en daar was ik goed in.”
