Zwaartekrachtsgolven

Leren van zwaartekrachtsgolven

Het onderzoeksprogramma Zwaartekrachtsgolven van Nikhef bundelt het Nederlandse onderzoek naar zwaartekrachtsgolven. Onderzoekers analyseren trillingen van botsende compacte objecten als zwarte gaten in het heelal met de Virgo, LIGO en KAGRA detectoren en ontwikkelen nieuwe technieken en observatoria zoals Einstein Telescope.

Wat zijn zwaartekrachtsgolven?

Zwaartekrachtsgolven zijn trillingen van het universum zelf, die met gevoelige instrumenten ook op aarde te meten zijn via subtiele lengteveranderingen in kilometers grote detectoren.

Zulke trillingen van de ruimtetijd ontstaan als extreem compacte objecten zoals zwarte gaten of neutronensterren botsen en elkaar opslokken. In 2015 werd voor het eerst een zwaartekrachtsgolf gemeten met de twee LIGO-detectoren in de VS. Sindsdien zijn honderden zwaartekrachtsgolven waargenomen door LIGO en ook de Europese Virgo-detector.

Het onderzoeksveld heeft inmiddels een hoge vlucht genomen, ook voor Nikhef. Het meten van zwaartekrachtsgolven heeft een nieuw venster op het universum geopend, zowel voor natuurkundigen als astronomen.

Wat is zwaartekrachtsgolfonderzoek?

Het onderzoek van zwaartekrachtsgolven is enerzijds gericht op het vinden en interpreteren van de gemeten ruimtetijdgolven en hun bronnen in het heelal. Dat biedt nieuwe astrofysische inzichten over zwarte gaten en het universum en mogelijkheden om de relativiteitstheorie zelf te testen.

Anderzijds is het ontwikkelen en verbeteren van meet- en analysetechnieken en detectoren een belangrijk onderzoeksgebied op zich. Zwaartekrachtsgolven zijn zo subtiel dat ze nauwelijks op te merken zijn tussen de natuurlijk trillingen van de detectoren en hun omgeving.

In de observatoria wordt gezocht naar subtiele afstandvariaties. Daartoe wordt laserlicht tussen spiegels opgesloten in twee haakse bundels, waardoor ze elkaars lichtgolven precies uitdoven. Een passerende zwaartekrachtsgolf verandert de weglengtes van de bundels, waardoor die uitdoving even wegvalt.

Uit de details van het veranderende lichtpatroon zijn eigenschappen van de golf af te leiden en ook eigenschappen van de botsende zwarte gaten die hem veroorzaakt hebben, zoals massa’s, spin en oriëntatie.

Grote optische installaties als in LIGO of Virgo vertonen ondanks talloze technische maatregelen onvermijdelijk ruis en trillingen, waardoor het lastig is om zwaartekrachtsgolven in de signalen op te merken.

Bij de analyses van de meetsignalen wordt daarom gezocht naar patronen die theoretisch verwacht worden van verre botsende zwarte gaten. Zulke patronen volgen uit relativistische modellen voor bewegende en botsende zwarte gaten.

Door metingen van verschillende observatoria te combineren is de richting van de bron te vinden. Bij een meting worden astronomische partners gewaarschuwd zodat telescopen de hemel kunnen afspeuren.

Het bouwen van gevoelige zwaartekrachtsgolfdetectoren is een grote technische uitdaging en een onderzoeksgebied op zich. De installaties moeten met mechanische ophangtechnieken worden losgekoppeld van de onvermijdelijke trillingen uit de omgeving. De laserbundels en spiegels moeten nauwkeurig gestabiliseerd worden. Alleen dan zijn de gezochte lengtevariaties van minder dan de diameter van een atoomkern met zekerheid te meten.
Nikhef en zwaartekrachtsgolven

Nikhef is lid van de internationale LIGO/Virgo/KAGRA samenwerking van een aantal observatoria voor zwaartekrachtsgolven. De zwaartekrachtsgolvengroep van Nikhef omvat circa 75 onderzoekers en is verspreid over diverse universiteiten. De onderzoekers dragen intensief en internationaal bij aan de analyses van de metingen met de diverse detectoren.

Nikhef is een van de coördinerende instituten voor de Virgo-detector bij Pisa, waar nieuwe optische en mechanische ruisonderdrukkende technieken zijn geleverd om de gevoeligheid te verhogen. De mechanische werkplaats van Nikhef is daarbij zeer intensief betrokken, zowel bij ontwerpen als constructie.

Nikhef draagt ook het initiatief om een nieuwe generatie zwaartekrachtsgolfdetector in de grensregio Nederland, België, Duitsland te realiseren: Einstein Telescope. In Europees verband is het instituut partner in de ETO-organisatie rond deze toekomstige Einstein Telescope, die nog veel dieper in het heelal zal kijken dan de huidige observatoria. Ook andere lokaties worden bestudeerd.

In Maastricht realiseert Nikhef samen met de universiteit de ETPathfinder: een testfaciliteit voor nieuwe instrumenten en technieken voor nog gevoeliger zwaartekrachtsgolfdetectoren als Einstein Telescope. Daarbij wordt onder meer onderzoek gedaan naar andere spiegels, andere golflengtes voor de gebruikte lasers en extreme koeling van spiegels om ruis te onderdrukken.

In 2026 zegde het kabinet extra steun toe voor een voorgenomen uitbreiding van ET Pathfinder, dat daarmee op ware schaal technieken voor Einstein Telescope kan gaan testen.

Via de onderzoeksgroep Detector R&D is Nikhef via ESA ook betrokken bij de realisatie van componenten voor de LISA zwaartekrachtsgolfdetector in de ruimte.
Meer informatie

De universiteiten die meewerken aan het Nikhef onderzoeksprogramma Gravitational Waves: UvA, VU , UU, UM, RUG, RU

Virgo-samenwerking

Einstein Telescope op de Nikhef-website

Website van de Einstein Telescope

ETpathfinder informatie