Onderzoekscollaboratie presenteert ontwerpstudie nieuw geavanceerd observatorium voor gravitatiestraling

19 mei 2011

Dit is een gezamenlijk persbericht van Nikhef en de Einstein Telescope collaboratie

Plannen voor een revolutionair nieuw observatorium om zwarte gaten en de Big Bang te onderzoeken nemen vaste vorm aan
Wetenschappers presenteren hun ontwerp voor Einstein Telescope – Europa’s volgende generatie detector die het heelal kan `zien’ in gravitatiestraling

Een nieuw tijdperk in de astronomie komt een stap dichterbij wanneer wetenschappers uit heel Europa vandaag hun ontwerpstudie van een geavanceerd observatorium presenteren. Hiermee zal men in staat zijn precisiemetingen uit te voeren met gravitatiegolven – uiterst kleine rimpels in het weefsel van ruimtetijd – waarvan voorspeld is dat ze zijn ontstaan uit kosmische catastrofen als samensmeltende zwarte gaten en ineenstortende supernovae. Het biedt ook de mogelijkheid tot onderzoek van de vroegste gebeurtenissen in het heelal direct na de oerknal, hetgeen op dit moment nog onmogelijk is.

Het Einstein Observatorium (ET) is een zogenaamde derdegeneratie-gravitatiegolf-detector, die honderd keer gevoeliger is dan de huidige instrumenten. Net zoals de eerste twee generaties detectoren, zal ook ET gebaseerd zijn op de meting van minieme veranderingen (kleiner dan een atoomkern) in de lengtes van de twee, kilometers lange, verbonden armen, veroorzaakt door een passerende gravitatiegolf. Laserbundels in de armen slaan het periodieke uitrekken en krimpen op als interferentiepatronen in de centrale detector.

De eerste generatie van deze interferometrische detectoren die een paar jaar geleden gerealiseerd is (GEO600, LIGO, Virgo en TAMA), heeft met succes het principe gedemonstreerd, maar detectie van gravitatiegolven werd niet verwacht. De volgende generatie (Advanced LIGO en Advanced Virgo), die nu gebouwd  wordt, zou de eerste directe detectie van gravitatiegolven mogelijk moeten maken, bijvoorbeeld van een paar naar elkaar toe roterende zwarte gaten of neutronensterren. Een dergelijke ontdekking zou het nieuwe onderzoeksveld van gravitatiegolf-astronomie aankondigen. Deze detectoren zullen echter niet gevoelig genoeg zijn om precieze astronomische studies van gravitatiegolfbronnen te kunnen uitvoeren.
 
Jo van den Brand (Nikhef), leider van een werkgroep in ET: “Einstein Telescoop zal een nieuw venster openen op ons heelal door direct de rimpels in ruimtetijd te detecteren, die gegenereerd worden door de meest energetische objecten en gebeurtenissen in ons universum. Dit levert belangrijke mogelijkheden voor precisiemetingen van de effecten van sterke en dynamische gravitatievelden. Dergelijke metingen onthullen elk eventueel mankement in het zo solide en succesvolle bouwwerk van Einsteins algemene relativiteitstheorie en zullen ons de weg wijzen naar de echte theorie van gravitatie. Deze verenigt de principes van relativiteit met kwantummechanica. Omdat gravitatiegolven praktisch zonder verzwakking doordringen in alle gebieden van ruimte en tijd, kan ET golven meten afkomstig van gebieden met de grootste materiedichtheid, de vroegste stadia van de Big Bang, en de meest extreme krommingen van ruimtetijd.”

“Wetenschappers die geïnteresseerd zijn in het uitzoeken van gravitatiegolf-fenomenen hebben daarom besloten de bouw van een nieuw en gevoeliger observatorium te onderzoeken. Na een driejarige studie, waar meer dan tweehonderd wetenschappers uit Europa en daarbuiten bij betrokken waren, zijn we verheugd om de ontwerpstudie voor Einstein Telescope te presenteren. ET effent de weg voor het onthullen van een verborgen kant van het heelal’, zegt Chris Van Den Broeck (Nikhef), lid van het wetenschappelijk team van de ET-ontwerpstudie.

Nederland draagt ook bij aan de selectie van de locatie en de benodigde infrastructuur. “Einstein Telescope is een verzameling interferometers met elk 10 km lange armen, die ondergronds bedreven wordt in een ultrahoog vacuüm en cryogene omgeving. Dit houdt in dat we hebben gekeken naar geologie, seismische activiteit, optische-, vacuüm- en cryosystemen, uitlijnen, etc.”, aldus David Rabeling van de Vrije Universiteit Amsterdam,verantwoordelijk voor de evaluatie van ondergrondse locaties waar ET gerealiseerd zou kunnen worden.

De ontwerpstudie, die gepresenteerd wordt op het terrein van de European Gravitational Observatory (EGO) in Pisa, Italië, schetst ET’s wetenschappelijke doelen, de detectorconfiguratie en -technologie, maar ook de tijdschaal en de geschatte kosten. De indrukwekkende gevoeligheid zal bereikt worden door ET ondergronds te bouwen, op een diepte van 100 tot 200 meter. Dit om de effecten van resterende seismische bewegingen te reduceren. Ook maakt de ondergrondse locatie het mogelijk om grotere gevoeligheden bij lage frequenties (tussen 1 en 100 hertz (Hz)) te bereiken. Met ET kunnen gravitatiegolven in het hele frequentiegebied dat op aarde meetbaar is – tussen 1 Hz en 10 kHz – gedetecteerd worden. “Een observatorium met een dergelijk gevoeligheidsniveau zal de detectie van gravitatiegolven transformeren tot een routinematig bruikbaar astronomisch instrument. ET zal leiden tot een wetenschappelijke revolutie”, zegt Michele Punturo, de wetenschappelijk coördinator van de ontwerpstudie. Een belangrijk doel is om informatie over gravitatiegolven te leveren, die de waarnemingen van telescopen die elektromagnetische straling (van radiogolven tot gammastraling) meten en andere instrumenten die hoge-energiedeeltjes uit de ruimte detecteren (astrodeeltjesfysica) aanvullen.

Een multi-detector
De strategie achter het ET-project is het bouwen van een observatorium dat de belemmeringen van bestaande detectorlocaties overwint door meer dan één gravitatiegolfdetector te huisvesten. Het observatorium bestaat uit drie genestelde detectoren, die elk bestaan uit twee interferometers met 10 kilometer lange armen. Eén interferometer zal laagfrequentie-gravitatiegolfsignalen (2 tot 40 Hz) detecteren, terwijl de andere de hoogfrequente componenten meet. De configuratie is zo ontworpen dat het observatorium verder ontwikkeld kan worden door toekomstige verbeteringen te implementeren. Zo kan het zowel zijn voordeel doen met ontwikkelingen in interferometrie, als reageren op een veelvoud aan wetenschappelijke doelen.

De Europese dimensie
De Europese Commissie (EC) ondersteunde de ontwerpstudie binnen het zevende kaderprogramma (FP7-Capacities) van de EU, door drie miljoen euro toe te kennen. “Met deze subsidie erkent de EC het belang van gravitatiegolfonderzoek zoals dat in Europa ontwikkeld is, en ook haar waarde voor fundamenteel en technologisch onderzoek. De EC zorgde voor een gezamenlijk kader voor de Europese wetenschappers die betrokken zijn in de zoektocht naar gravitatiegolven en maakte een significante stap in de richting van de exploratie van het heelal met een volledig nieuw onderzoeksinstrument”, zegt Federico Ferrini, directeur van EGO en projectcoördinator van de ontwerpstudie voor Einstein Telescope.

ET is een project dat als een van de ‘Magnificent Seven’ Europese projecten aanbevolen wordt door het ASPERA-netwerk voor de toekomstige ontwikkeling van astrodeeltjesfysica in Europa. Het zou een cruciaal deel van de Europese onderzoeksinfrastructuur en een fundamentele hoeksteen in de realisatie van de European Research Area vormen.

Aanvullende informatie, afbeeldingen en film:

www.et-gw.eu

Perscontact voor Nederland:
Melissa van der Sande
email: sandem@nikhef.nl
Tel: +31 20 592 5075

Lijst van experts:
Jo van den Brand, jo@nikhef.nl, Tel.: +31 620 539 484
Chris Van Den Broeck, vdbroeck@nikhef.nl, Tel.: +31 20 592 2053
David Rabeling, davidr@nikhef.nl, Tel.: +31 20 592 5135

Achtergrondinformatie:
• Het Einstein Telescope Project (ET) is een gezamenlijk project van acht Europese onderzoeksinstituten, onder leiding van de European Gravitational Observatory (EGO), een Italiaans-Frans consortium gelegen nabij Pisa (Italië). De deelnemers zijn EGO, , Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italië, het Franse Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), het Duitse Albert Einstein Institute (AEI) in Hannover, de Universiteiten van Birmingham, Cardiff en Glasgow in het Verenigd Koninkrijk, en het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) in Amsterdam. Wetenschappers van andere instituten in Europa, maar ook in de Verenigde Staten en Japan, hebben actief meegewerkt aan de realisatie van deze ontwerpstudie.

• De directe detectie van gravitatiegolven – voorspeld door Einsteins gravitatietheorie, de Algemene Relativiteitstheorie – is een van de belangrijkste fundamentele onderzoeksgebieden in de moderne wetenschap. Afgezien van het bevestigen van de Algemene Relativiteitstheorie, met name voor extreme gravitatievelden in de buurt van zwarte gaten, zou detectie van gravitatiegolven ons voor het eerst toestaan om terug te kijken tot aan de eerste momenten van het heelal, direct na het ontstaan ervan (Big Bang). Kosmologische waarnemingen zijn op dit moment beperkt tot het gebruik van elektromagnetische golven en kosmische straling (hoogenergetische deeltjes zoals protonen). Deze informatie bereikt ons uit het verleden, maar niet eerder dan 380.000 jaar na de Big Bang. Daarvóór was er een continue wisselwerking tussen licht en materie, zodat het heelal ondoorzichtig was. Het heelal werd pas transparant nadat materie en licht zich hadden gescheiden gedurende dit tijdperk. Kosmologische tijdperken die verder terug liggen in het verleden, zijn tot nu toe verborgen gebleven. Het is dus nog niet mogelijk geweest om met waarnemingen de verschillende theorieën over hun aard te testen. De directe waarneming van gravitatiegolven kan het mogelijk maken om te `luisteren’ naar de eerste triljoenste seconde na de oerknal. Dat zou ons geheel nieuwe informatie over het heelal verschaffen.

• Gravitatiegolfonderzoek is een globale inspanning omdat de volledige informatie over veel gravitatiegolfbronnen enkel verkregen kan worden door verschillende interferometers te gebruiken, die simultaan op verschillende plaatsen werken. Daarom werken wetenschappelijke gemeenschappen in de Verenigde Staten(LIGO), Duitsland en Groot-Brittannië (GEO600), Italië, Frankrijk en Nederland (Virgo) al sinds lange tijd samen. Zij delen technologische R&D en theoretische vooruitgang, alsook data-analyse methoden en instrumenten. Het gezamenlijk Europese ET-project zal een bijdrage leveren aan het versterken van deze wereldwijde samenwerking.

De huidige observatoria:
• GEO600, is een Duits-Britse detector gelegen nabij Hannover, Duitsland, en wordt bedreven door onderzoekers van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) in Hannover, en de Universiteiten van Glasgow, Cardiff en Birmingham in Groot-Brittannië. Het wordt gefinancierd door de Max Planck Society, de staat Lower Saxony, de Volkswagen Foundation en de UK Science and Technologies Facilities Council (STFC). GEO werkt nauw samen met de ‘cluster of excellence’, QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research), in Hannover.
www.geo600.de

• Virgo is een interferometer met 3-kilometer lange armen in Cascina, in de buurt van Pisa, Italië. Dit project bereikte het additionele doel om laagfrequente metingen rond 10 Hz te maken. Aanvankelijk werd Virgo gefinancierd door CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) en INFN (Instituto Nazionale de Fisica Nucleare) maar is nu uitgebreid met Nederlandse, Poolse en Hongaarse onderzoeksgroepen.
www.virgo.infn.it

• De LIGO-detectoren in de Verenigde Staten bestaan uit 2-kilometer en 4-kilometer instrumenten in Hanford, Washington, en een 4-kilometer instrument in Livingston, Louisiana. Het LIGO-project werd ontwikkeld en wordt geleid door het California Institute of Technology (CalTech) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT), en wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).
www.ligo.caltech.edu