Natuurkundige Stefan Hild van Maastricht University en Nikhef krijgt ruim 2 miljoen euro van de European Research Council voor nieuw onderzoek naar revolutionaire nieuwe methodes om zwaartekrachtsgolven te detecteren.
Dat is donderdag bekend gemaakt door het ERC Advanced Grant programma. Hild leidt momenteel de constructie van de ETpathfinder in Maastricht, een samenwerking van meer dan vijftien onderzoeksinstellingen in Nederland, België, Duitsland en Frankrijk. ETpathfinder wordt een testfaciliteit voor toekomstige detectoren voor zwaartekrachtsgolven.
Zwaartekrachtsgolven zijn trillingen van de ruimte zelf, die ontstaan bij botsingen van zwarte gaten of neutronensterren in het heelal. Zulke trillingen werden al een eeuw geleden voorzien in Einsteins relativiteitstheorie, maar leken lang te zwak om te kunnen meten. In 2015 lukte dat voor het eerst wel.
De afgelopen jaren is het onderzoek in een enorme stroomversnelling gekomen. Met detectoren als LIGO en Virgo worden nu wekelijks botsingen waargenomen. Om de kilometers lange laserinstallaties in de VS en in Italië nog gevoeliger te maken, moeten de ruiseigenschappen verder worden onderdrukt die ontstaan door quantumeffecten. Hild wil dat met nieuwe optische trucs bereiken. “Een nieuw paradigma”, noemt Hild het in het projectvoorstel.
De ERC-grant is bestemd voor onderzoek naar nieuwe typen interferometers. Dat zijn installaties waarin laserstralen elkaar ontmoeten in lange vacuümbuizen met aan de uiteinden spiegels. Een passerende zwaartekrachtsgolf verandert de lengtes van de buizen een fractie waardoor de laserlichtpatronen subtiel veranderen.
Uit de golfpatronen kunnen de onderzoekers eigenschappen afleiden over de botsende objecten. Daarmee zijn rechtstreeks tests mogelijk van Einsteins relativiteitstheorie en theorieën over zwarte gaten en neutronensterren en over het ontstaan van het heelal in de Big Bang.
De huidige interferometers gebruiken lengteverschillen in de laserpaden om zwaartekrachtsgolven te vinden. Een probleem daarbij is dat de lichtbundels zelf ook invloed hebben op de spiegels, waardoor de afstanden niet scherp bepaald zijn. Vooral zwaartekrachtsgolven met een lage frequentie zijn daardoor moeilijk waar te nemen.
Omdat juist die laagfrequente golven belangrijk zijn om diep in het heelal te kijken, is verbetering van de interferometers cruciaal. Hild gaat een aantal trucs onderzoeken waarbij niet de posities van de spiegels in de lasertunnels een golf verraden, maar hun onderlinge snelheid.
Het gaat daarbij om uiterst subtiele bewegingen van de spiegels, waarvan het meten een grote technische uitdaging is. Het onderzoek in Maastricht zal erop gericht zijn om de experimentele technieken te ontwikkelen en testen zodat ze kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld in de Virgo-detector in Italië.
Het onderzoek past ook in de voorbereidingen van de Einstein Telescope, tegen de tijd dat hij gerealiseerd is de gevoeligste detector voor zwaartekrachtsgolven op aarde. Deze ET komt ongeveer 250 meter onder de grond om verstoringen uit te sluiten.
De armen van ET vormen met een driehoek met zijden van 10 kilometer, volgens de ontwerpen. Nederland is een van de twee mogelijke locaties voor het project. Met de installatie kunnen naar verwachting duizenden zwaartekrachtsgolven per week worden geregistreerd, wat een nieuwe tak van astronomie zal betekenen.
Hild zegt ook uit te kijken naar het nieuwe onderzoek vanuit het oogpunt van fundamentele fysica. De beperkingen van de huidige interferometers gaan terug op de befaamde theorieën van Werner Heisenberg uit de vorige eeuw over onvermijdelijke quantumvaagheid. “De ETpathfinder wordt een ideale testfaciliteit voor geavanceerde quantum-schema’s die Heisenbergs fundamentele beperkingen omzeilen. Superspannend.”
