Botsende zwarte gaten jagen met hulp van Heisenbergs onzekerheid

15-04-2019

Werner Heisenberg, een van de pioniers van de quantumtheorie in de jaren ’20 van de vorige eeuw zou er vermoedelijk versteld van staan. Uitgerekend het legendarische onzekerheidsprincipe dat hij ooit formuleerde, wordt nu gebruikt om metingen van zwaartekrachtsgolfdetectoren als LIGO en Virgo nog nauwkeuriger te maken.

Virgo en LIGO zijn laserinterferometers, waarmee in twee haakse armen de afstand tussen spiegels op kilometers van elkaar te meten is tot op minder dan een protondiameter. Zwaartekrachtsgolven zijn een kenmerk van Einsteins relativiteitstheorie, die ruimte en tijd als een vervormbaar materiaal opvat. Zulke golven laten de ruimte zelf afwisselend opzwellen en inkrimpen, waardoor afstanden iets variëren, ook op aarde.

In 2015 werd na decennia speuren eindelijk de eerste zwaartekrachtsgolf waargenomen, die kon worden toegeschreven aan de botsing van twee zwarte gaten in het heelal. Sindsdien zijn er bijna een dozijn ruimtetijdtrillingen waargenomen met de twee detectoren van LIGO en de Virgo-detector in Italië.

Begin april begonnen de drie detectoren bij Pisa, in Louisiana en Washington State samen aan nieuwe metingen met een aanzienlijk verbeterde gevoeligheid, waardoor ze ook relatief lichte botsingen zullen gaan zien.

De bedoeling is een jaarlang door te meten, en de hoop is enkele keren per maand een trilling op te vangen. De detectoren zijn tot 40 procent gevoeliger dan voorheen, vooral voor trillingen met een hoge frequentie. Die ontstaat in theorie als relatief lichte zwarte gaten zo groot als de maan vlak voor hun botsing tot 500 keer per seconde om elkaar heen draaien.

Tot voor kort was het lastig om zulke hoogfrequente trillingen goed waar te nemen, omdat de lasersystemen in datzelfde gebied ruis natuurlijke veroorzaken. Uitgerekend daar kan slim gebruik van de onzekerheidsrelatie van Heisenberg verbetering geven, zegt Mattheo Tacca van Nikhef. Hij is nauw betrokken bij de nieuwe ruisonderdrukkende technieken in Virgo.

Het principe van Heisenberg zegt dat sommige samenhangende grootheden niet tegelijk met oneindige precisie zijn te meten. Zo zijn de plaats en de snelheid van een deeltje nooit tegelijk precies vast te stellen; als de ene meting exacter wordt, zal de andere minder precies worden.

Voor de golven van het laserlicht in de kilometers lange armen van de LIGO- en Virgodetectoren geldt op dezelfde manier dat hun amplitude (intensiteit) en fase (timing) niet tegelijk te meten zijn. Als de ene eigenschap scherper wordt gedefinieerd, wordt de andere minder scherp.

Het afgelopen jaar is in de detectoren een techniek geïntroduceerd die squeezing wordt genoemd. Daarbij wordt de natuurlijke variatie in de fase (timing) van de lasergolf onderdrukt. Dat gaat weliswaar ten kost van de amplitude (sterkte), maar  die doet er voor de detectie van een passerende zwaartekrachtsgolf niet zo toe. Die detectie vindt plaats doordat lasergolven elkaar al dan niet even uitdoven; daarvoor is bij hoge frequenties vooral de timing relevant, en niet de exacte sterkte.

Tacca: ‘De kunst is om de relevante grootheden optimaal te meten en de onzekerheid in de rest voor lief te nemen.’ Hij bouwde mee aan de gecompliceerde optische opstellingen waarmee squeezing in Virgo wordt gerealiseerd. De techniek werd ooit door een Duitse groep ontwikkeld en getest in de eerste grote zwaartekrachtsgolfdetector van Europa, bij Hamburg. Die was met 600 meter lange armen nog wel te ongevoelig om echte gravitatiegolven te meten. LIGO en Virgo kunnen dat wel en benutten nu dezelfde quantum-truc.

En die zal nog verder worden geperfectioneerd, zegt Tacca. Vorig jaar ontving Nikhef van wetenschapsfinancier NWO ruim 3,5 miljoen euro voor het bouwen van een extra ruisonderdrukkend lasersysteem op de Virgo-detector in Pisa. Ook daarin wordt per frequentie andere quantum squeezing toegepast, waardoor de gevoeligheid voor alle signalen wordt verbeterd. Tacca verwacht er nog eens een factor twee of meer gevoeligheid van in Virgo.

Tacca heeft de bouwtekeningen voor de extra installaties aan de muur van zijn kantoor hangen en de belangrijkste componenten staan inmiddels in de magazijnen van Nikhef in Amsterdam. Binnenkort wordt aan de daadwerkelijke assemblage en de tests begonnen van het apparaat, dat uiteindelijk een extra buis van 300 meter lang wordt die in Pisa parallel aan een van de meetarmen zal worden ingebouwd. ‘De apparatuur moet getest zijn en klaar om in te passen, om zo min mogelijk kostbare meettijd te verliezen’, zegt Tacca.