Gravitatiegolven in de kosmische microgolf achtergrond

19 maart 2014

Nikhef nieuwsbericht

Amsterdam, 19 maart 2014 – Afgelopen maandag werd een uitermate belangrijke ontdekking wereldkundig gemaakt. De BICEP2-collaboratie heeft met hun radio-telescoop op het Admundsen-Scott station op de Zuidpool tekenen van gravitatiegolven ontdekt in de polarisatie van de kosmische microgolf achtergrondstraling (CMB). Dit is de tweede keer dat indirect aanwijzingen gevonden worden voor het bestaan van gravitatiegolven. De eerste indirecte aanwijzing kwam uit het energieverlies van een binaire neutronenster en hiervoor hebben Hulse en Taylor in 1993 de Nobelprijs ontvangen.

Nikhef participeert in experimenten om gravitatiegolven straks direct te detecteren

Jo van den Brand en zijn team van het Nikhef proberen gravitatiegolven direct te detecteren (en niet indirect via een polarisatie-effect in de elektromagnetische CMB). Hiervoor worden interferometers gebruikt met kilometerslange armen, waaronder Virgo bij Pisa in Italië waaraan Nikhef meedoet en de LIGO-detectoren in de VS. Dit jaar wordt er nieuwe apparatuur geïnstalleerd om de gevoeligheid van de instrumenten te verbeteren. Volgend jaar wordt Virgo (een ook de LIGO detectoren in de VS) aangezet. De eerste gezamenlijke meting zal plaatsvinden in 2016.

Figuur 1: De Virgo gravitatiegolf detector nabij Pisa, Italië wordt bedreven door een Nederlands-Frans-Italiaanse samenwerkingsverband. Elke interferometer arm is 3 km lang.

Figuur 1: De Virgo gravitatiegolf-detector nabij Pisa, Italië wordt bedreven door een Nederlands-Frans-Italiaanse samenwerkingsverband. Elke interferometer arm is 3 km lang.

Toekomstige gravitatiegolven-experimenten

Ook wordt er gewerkt aan een ruimtemissie voor gravitatiegolf fysica. Op 28 november 2013 heeft ESA besloten om eLISA te selecteren als L3 missie. eLISA bestaat uit drie satellieten die samen een interferometer in de ruimte zullen vormen met armen van 1 miljoen kilometers. De lancering is gepland voor 2034 en hiermee zal een “space-based” observatorium voor gravitatiegolven gerealiseerd worden. Daarnaast worden er studies gemaakt voor Einstein Telescope: een gigantische ondergrondse infrastructuur, waarbij zes deels cryogene interferometers met 10 km lange armen, een paar honderd meter onder de grond worden geplaatst om de effecten van seismische trillingen te minimaliseren.

Figuur 2: Nikhef participeert in de ontwerpstudie van Einstein Telescope (een driehoekige topologie met 10 km lange armen) en coördineert de site-selectie. Veel aandacht is besteed aan seismische metingen van diverse sites, ook in Nederland.

Figuur 2: Nikhef participeert in de ontwerpstudie van Einstein Telescope (een driehoekige topologie met 10 km lange armen) en coördineert de site-selectie. Veel aandacht is besteed aan seismische metingen van diverse sites, ook in Nederland.

BICEP2-resultaat

De BICEP2 collaboratie heeft tekenen van gravitatiegolven ontdekt in de polarisatie van de kosmische microgolf achtergrondstraling (CMB). Deze CBM is de reststraling van de Big Bang. Tijdens de Big Bang was de temperatuur van deze straling immens hoog, maar door de continue expansie van het Heelal is de temperatuur inmiddels afgenomen tot ongeveer 2.7 K. De cruciale implicatie van het BICEP2 resultaat is dat het sterke experimentele aanwijzingen geeft dat het proces van inflatie een rol heeft gespeeld in het ontstaan van ons Universum. Inflatie stelt dat het ultra-jonge Universum, op ongeveer 10-36 seconden na de Planck tijd, een korte periode (ongeveer 10-32 s) van versnelde expansie heeft doorgemaakt, waarbij haar grootte met een ongeveer factor 1026 is toegenomen. Dit proces is door Alan Guth bedacht en belangrijke bijdragen zijn geleverd door o.a. Andrei Linde. Inflatie geeft een verklaring waarom het Heelal nu op grote schaal vlak, homogeen en isotroop lijkt.

De temperatuurverdeling van de CMB is nauwkeurig gemeten met bijvoorbeeld de Planck satelliet en toont slechts kleine verschillen (ongeveer 1 deel op honderdduizend). Volgens kosmologen zijn deze kleine temperatuurfluctuaties het directe gevolg van quantumfluctuaties in het zogenaamde inflatonveld (het quantumveld dat verantwoordelijk is voor inflatie; de quantum-excitaties van dit veld worden inflatonen genoemd). Deze kleine temperatuurverschillen zijn tijdens de continue expansie van het Heelal uitgegroeid tot sterren, sterrenstelsels en clusters.

Naast bovengenoemde “scalaire” fluctuaties, was er ook een tweede quantumveld dat fluctueerde: het gravitatieveld. Deze zogenaamde “tensor” fluctuaties in de structuur van ruimtetijd worden gravitatiegolven genoemd. Ze rekken en comprimeren dingen als de golven zich met de lichtsnelheid voortplanten. BICEP2 is erin geslaagd om de effecten van gravitatiegolven ontstaan tijdens de Big Bang te zien in speciale patronen (zogenaamde  B-modes) in de polarisatie van de CMB.

Reacties van Nikhef-wetenschappers

Het is een geweldige prestatie om de vingerafdruk van gravitatiegolven afkomstig van kosmologische verstoringen direct na de Big Bang te detecteren in de kosmische microgolf achtergrondstraling" zegt prof.dr. Jo van den Brand, leider van het Gravitational Physics programma van het Nikhef en als hoogleraar verbonden aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

BICEP2 vindt een verrassend groot gravitatiegolf signaal, wat erop wijst dat de energieschaal tijdens inflatie erg hoog was. Als dit resultaat bevestigd wordt, dan kunnen theoretisch fysici hier hun tanden op stuk bijten.

De meest spectaculaire ontdekking die LIGO en Virgo kunnen maken, is het vinden van gravitatiegolven die direct na de Big Bang zijn uitgezonden, of een andere gravitatiegolf-achtergrond zoals veroorzaakt door bijvoorbeeld kosmische strings” zegt Marieke Postma, theoretisch fysicus  op Nikhef, die onderzoekt of het Higgs-deeltje het bovengenoemde inflaton kan zijn.

Meer informatie:

Vanessa Mexner, Afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef, 020-592 5075
Prof. dr. Jo van den Brand (Nikhef en Vrije Universiteit Amsterdam)
Dr. Marieke Postma (Nikhef)

website Nikhef-gravitatiegolven-programma

website Virgo

website BICEP2