PhD defense Joris van Heijningen @ VU

2018-03-26 15:45 | 2018-03-26 16:45

Draai die bas omhoog! Prestatieverbetering in het laagfrequente gebied van seismische verzwakkingssystemen en trillingssensoren voor de zwaartekrachtsgolfdetectoren van de toekomst

Joris van Heijningen, promovendus aan het Nikhef, verdedigt zijn proefschrift maandag 26 maart 2018 aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

“Iets meer dan honderd jaar geleden realiseerde Albert Einstein zich dat in zijn kersverse algemene relativiteitstheorie golfoplossingen in de ruimtetijd bestaan. Hij dacht echter dat we ze nooit zouden kunnen meten. Meer dan 50 jaar geleden is men toch begonnen met proberen om deze zogenaamde zwaartekrachtsgolven te meten. Op 14 september 2015 zijn voor het eerst zwaartekrachtsgolven gemeten door de twee zogenaamde LIGO detectoren. De eerste detectie staat bekend als GW150914; GW staat voor gravitational waves en de cijfers representeren de datum van de meting. Deze golven kwamen voort uit een botsing en samensmelting van twee zwarte gaten met een respectievelijk gewicht van ongeveer 30 en 35 zonsmassa’s. Hierna zijn er nog vier andere detecties van golven voorkomend uit botsingen van zwarte gaten gepubliceerd, waarvan GW170814 ook met de Virgo detector is gemeten. Nikhef levert belangrijke onderdelen voor deze detector.  Drie dagen later, met GW170817, werden voor het eerst zwaartekrachtsgolven van samensmeltende neutronensterren gemeten. Na deze botsing gloeide er weken lang elektromagnetische straling vanuit een punt in het gebied dat, met behulp van de lokalisering van de LIGO en Virgo detectoren, snel was gevonden door conventionele telescopen. In deze nagloeier zagen we voor het eerst het lang theoretisch voorspelde process dat verantwoordelijk is voor de aanwezigheid van zware metalen in ons universum, zoals goud, platinum en uranium! 

Omdat er een verband bestaat tussen kromming van ruimtetijd en zwaartekracht, zal een zwaartekrachtsgolf de manier veranderen, waarop objecten ten opzichte van elkaar vallen. Wanneer er een zwaartekrachtsgolf twee objecten passeert, zal de er een meetbaar effect zijn. De fysieke afstand tussen de twee objecten zal uitrekken en samentrekken zolang de zwaartekrachtsgolf passeert. De golven worden gemeten door het zeer nauwkeurig monitoren van de positie en beweging van zogenaamde testmassa’s. Hiervoor gebruikt men enorme interferometers; dit zijn kilometers grote laseropstellingen met allerlei optische elementen zoals half-reflecterende spiegels (de zogenaamde bundel-splitser), een zeer krachtige laser (typisch honderden Watt) en spiegels van uitzonderlijke kwaliteit. De bundel-splitser en spiegels fungeren als testmassa’s en de afstand tussen hen wordt constant met een duizelingwekkende precisie gemeten. 

Al deze zwaartekrachtsgolfdetectoren zouden niets anders meten dan seismische ruis zonder dat alle elementen van een de detector zijn geïsoleerd van de altijd aanwezige minuscule trillingen van de aarde. Deze trillingen zijn namelijk typisch honderd miljard (!) maal groter dan het te meten effect. Toch voelt u niets van deze trillingen die voor zwaartekrachtsgolfjagers vele orden van grootte te veel zijn. De trillingen zijn honderden nanometers groot en men probeert nano-nanometer (ofwel attometer, een miljardste van een miljardste van een meter) afstandsveranderingen te meten in de twee kilometers lange armen van de eerder genoemde interferometers. Sinds de negentiger jaren is er veel werk verricht om een wereldwijd netwerk op te tuigen. De twee LIGO detectoren in Hanford, Washington en Livingston, Louisiana in de Verenigde Staten van Amerika en de Virgo detector dichtbij Pisa, Italië zijn al operationeel. KAGRA, een ondergrondse detector in Japan (vanaf 2020) en LIGO-India (vanaf 2022) zullen het netwerk gaan versterken. Daarnaast worden er al nieuwe detectoren ontworpen die de gevoeligheid van de detectoren van nu zullen overtreffen. Met gevoeligere detectoren kunnen we niet alleen meer detecties per jaar verrichten, maar ook verder (terug) in het Universum kijken!

In de Virgo detector zijn nu ook de tafels, waarop optica staat die metingen doen om de spiegels beter uit te lijnen, geïsoleerd van de aardse trillingen door ze aan een isolatiesysteem te hangen. De compacte seismische isolatiesystemen daarvoor zijn ontwikkeld op het Nikhef. Dit proefschrift beschrijft onderzoek aan en het operationeel krijgen van de vijf seismische isolatiesystemen voor deze optische tafels in de Virgo detector, een nieuwe trillingssensor om o.a. de prestaties van seismische isolatie systemen beter te kunnen monitoren en het werk van de auteur aan vergelijkbare aspecten van de KAGRA zwaartekrachtsgolfdetector gedaan in drie bezoeken aan Japan. De toekomst van zwaartekrachtsgolfastronomie is schitterend, of zou men luid moeten zeggen?! Nieuwe ontdekkingen worden verwacht, dus houdt u het nieuws in de gaten!”

Turn up the bass! Low-frequency performance improvement of seismic attenuation systems and vibration sensors for next generation gravitational wave detectors (pdf)

De promotie vindt plaats op maandag 26 maart, om 15.45 in de Aula van de Vrije Universiteit Amsterdam, De Boelelaan 1105, Amsterdam

Promotor: prof.dr. J.F.J. van den Brand
Copromotor: dr. A. Bertolini 

Contact: Joris van Heijningen