Virgo

Zwaartekrachtsgolven

 

Nikhef maakt deel uit van een samenwerking tussen vijf landen om zwaartekrachtsgolven te detecteren met behulp van de Virgo-detector in Italië. Deze golven, bewegende rimpels in de ruimtetijd, zijn in 2015 voor het eerst waargenomen. Ze geven geheel nieuwe informatie over het heelal.

Wat zijn zwaartekrachtsgolven?

Isaac Newton introduceerde het begrip zwaartekracht: objecten met massa trekken elkaar aan. Sinds de Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein is duidelijk dat de zwaartekracht niet gezien moet worden als een kracht maar als een vervorming van de ruimtetijd door de aanwezigheid van massa. In veel gevallen is dit een subtiel verschil maar er zijn ook situaties waarbij de ART iets voorspelt dat in Newtons wereld onmogelijk was. Zo kan een asymmetrische, draaiende massa een rimpeling in de ruimtetijd opwekken die zich voortplant: een zwaartekrachtsgolf. Alhoewel ontelbaar veel objecten minuscule golfjes uitzenden, zijn ze in verreweg de meeste gevallen te klein om ooit te meten. Sommige zware objecten in het heelal, zoals zwarte gaten en neutronensterren, kunnen door bewegingen met grote snelheid wel meetbare zwaartekrachtsgolven veroorzaken.

Hoe kunnen zwaartekrachtsgolven worden gedetecteerd?

Hoewel zwaartekrachtsgolven al in 1916 door Einstein werden voorspeld, is er pas sinds kort technologie beschikbaar om ze ook te meten. De belangrijkste detectoren zijn Virgo (in Italië) en LIGO (twee detectoren in de Verenigde Staten). Ze werken volgens het principe van een Michelson interferometer, zoals toegelicht in het onderstaande plaatje. Wanneer een zwaartekrachtsgolf de detector bereikt, veranderen de lengtes van de armen van de detector met een fractie van de straal van een proton. Dit is vergelijkbaar met de dikte van een haar op de afstand tot de dichtstbijzijnde ster in de buurt van de Zon, Alpha Centauri A. Deze minuscule lengteverandering veroorzaakt een kleine verandering in het interferentiepatroon die door de detector wordt gemeten.

animatie

Het principe van de Michelson-interferometer. Een lichtbundel wordt in twee ‘armen’ gesplitst en aan het einde van iedere arm teruggekaatst. Als de armen verschillend van lengte zijn, interfereren de twee teruggekaatste lichtbundels als ze elkaar weer tegenkomen. Via de interferentie kan het verschil in lengte van de armen gemeten worden, zelfs als dat verschil kleiner is dan ooit met een microscoop waargenomen kan worden. Een zwaartekrachtsgolf veroorzaakt een lengteverschil tussen de twee armen van slechts 10-22 meter: dat is een afstand die kleiner is dan een proton, een van de bouwstenen van een atoom.

Eerste detectie

Op 14 september 2015 gingen de alarmen af bij de twee LIGO-interferometers in de VS. Na een uitgebreide analyse en een grondige controle door de LIGO/Virgo-samenwerking bleek voor het eerst een zwaartekrachtsgolf te zijn waargenomen. Deze golf was veroorzaakt door het samensmelten van een dubbel zwart gat. Kort hierna werd een tweede zwaartekrachtgolf gedetecteerd, afkomstig van een soortgelijk samensmelten van twee (kleinere) zwarte gaten. Tijdens deze samensmelting, die ongeveer 1,4 miljard jaar geleden plaatsvond, werd een hoeveelheid energie grofweg gelijk aan de massa van de zon omgezet in zwaartekrachtsgolven. Het waargenomen signaal kwam van de laatste 27 omwentelingen van de zwarte gaten vóór hun samensmelting tot één zwart gat.

Met deze twee metingen is het vakgebied van de zwaartekrachtsgolvenastronomie veelbelovend van start gegaan. Wie weet wat wetenschappers nog meer zullen leren over het heelal door goed te ‘luisteren’?

Virgo is een interferometer nabij Pisa (Italië) die zwaartekrachtsgolven kan detecteren. Het maakt deel uit van een internationaal netwerk van soortgelijke detectoren die nauw samenwerken.

Wereldwijd netwerk van detectoren

Natuurkundigen bouwen wereldwijd aan een netwerk van zwaartekrachtsgolfdetectoren. In de Verenigde Staten zijn er twee LIGO-detectoren, in Duitsland GEO600, en in Italië de Virgo-detector, gebouwd door wetenschappers uit Frankrijk, Italië, Nederland, Polen en Hongarije. In Japan wordt momenteel gewerkt aan KAGRA, een ondergrondse detector die gebruik maakt van gekoelde spiegels. Daarnaast zijn er plannen om in India een extra detector te bouwen.

Met een netwerk van detectoren verspreid over de aarde is het mogelijk om bronnen van signalen te lokaliseren. Hoe meer detectoren en hoe beter de spreiding, des te nauwkeuriger is de plaatsbepaling aan de hemel. Daarnaast kunnen met meer detectoren nog zwakkere signalen worden waargenomen.

Van Virgo naar Advanced Virgo

In de afgelopen jaren hebben Virgo en de LIGO-detectoren in de Verenigde Staten al samen naar zwaartekrachtsgolven ‘geluisterd’. Met de kennis die daarbij is opgedaan is een uitgebreid programma van verbeteringen uitgevoerd. Bij LIGO is de eerste hiervan in september 2015 afgerond, waarna de eerste metingen zijn begonnen. Ook Virgo is grondig vernieuwd en verbeterd. Advanced Virgo (zie onderstaand plaatje) heeft drie grote verbeteringen ten opzichte van de oorspronkelijke Virgo: De afstanden waarvan het relatieve lengteverschil gemeten wordt, zijn verlengd door een extra spiegel in de arm (IM) te plaatsen die het licht ongeveer 450 keer heen en terugkaatst. Het tweede verschil is de Power Recycling Mirror (PRM), die zorgt dat er meer licht in de detector blijft om de ruis te onderdrukken. Het derde verschil is de Signal Recycling Mirror (SRM), die de tijd waarin het licht zich in de detector bevindt, en daarmee de gevoeligheid voor verschillende golflengten, verandert.

ifo

Schematische weergave van de Advanced Virgo interferometer. Een laserbundel wordt door het middelste onderdeel in twee bundels gesplitst. De bundels worden honderden malen heen en weer gekaatst langs de twee ‘armen’. De interferentie tussen de bundels wordt uiteindelijk in een fotodetector geregistreerd.

Tot voor kort konden astronomen het heelal alleen bestuderen door elektromagnetische straling, zoals licht en röntgenstraling, of deeltjes, zoals neutrino’s, te observeren. Er zijn echter ook gebieden in het heelal waarvandaan straling en deeltjes ons niet bereiken, zoals zwarte gaten. Sinds kort is bekend dat ook de trillingen van de ruimte zelf bestudeerd kunnen worden, met behulp van zwaartekrachtsgolfdetectoren.

Luisteren naar het heelal

Zo kunnen ook systemen en gebeurtenissen onderzocht worden die geen deeltjes of straling uitzenden, zoals zwarte gaten, of waarvan het licht wordt geblokkeerd door bijvoorbeeld tussenliggende stof en nevels. Zwaartekrachtsgolven hebben geen last van tussenliggende materie en kunnen rechtstreeks vanuit de diepste duisternis de detectoren bereiken. Deze signalen bieden voor het eerst in de geschiedenis van de mensheid een manier om naast het kijken ook naar het heelal te ‘luisteren’.

Door goed te luisteren naar bijvoorbeeld een supernova of twee neutronensterren die op elkaar botsen, kan informatie verkregen worden over de structuur van materie in toestanden die in geen enkel lab te evenaren zijn. Uit het signaal van een botsing tussen twee zwarte gaten ontstaat een gedetailleerd beeld van de fundamentele structuur van de ruimte. De geschiedenis van de astronomie heeft laten zien dat er bij elke nieuwe manier om het heelal te bestuderen nieuwe dingen ontdekt werden die niemand had voorzien. Het nieuwe veld van de zwaartekrachtsgolvenastronomie zal een beter begrip van tot nu toe onbereikbare natuurkunde geven en, wie weet, exotische astronomische gebeurtenissen onthullen waar wetenschappers nu nog niet eens een voorstelling bij hebben.

Testen van de relativiteitstheorie

Inmiddels zijn er al twee zwaartekrachtsgolven gemeten, in september en december 2015. In beide gevallen betrof het een duidelijk signaal van het samensmelten van een compact binair systeem. Dit is een systeem waarbij twee compacte objecten in de ruimte, zoals neutronensterren of zwarte gaten, om elkaar heen draaien. Hierbij verliezen ze energie in de vorm van zwaartekrachtsgolven. Ze komen zo steeds dichter bij elkaar, totdat ze uiteindelijk samensmelten tot een zwart gat.

Deze compacte systemen zijn de ideale laboratoria om de structuur van neutronensterren te onderzoeken en de Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein te testen. Door de eigenschappen van zwarte gaten wordt een compact binair systeem namelijk geheel beschreven door de ART, zonder verstoring door materiegerelateerde effecten.

De ART is al in 1916 door Einstein bedacht. Het is op vele manieren bevestigd door observaties, maar bijna al deze waarnemingen waren in situaties waarbij de ART maar een kleine afwijking voorspelt ten opzichte van de klassieke natuurkunde, met relatief lage snelheden. Uit de observaties van het samensmelten van twee zwarte gaten is nu voor het eerst bevestigd dat de voorspellingen ook bij snelheden in de buurt van de lichtsnelheid juist zijn. Hiervoor is gebruik gemaakt van een methode die bij Nikhef is ontwikkeld (zie onderstaand kader). Met deze methode kan rechtstreeks aan het gedrag van de ruimtetijd gemeten worden in hoeverre er afwijkingen zijn ten opzichte van de ART. Op basis van de eerste metingen zijn bovengrenzen aan deze afwijkingen vastgesteld die veel kleiner zijn dan tot nu toe mogelijk was met observatie van elektromagnetische straling.

Toekomstige detectoren

Nikhef werkt ondertussen al hard aan de ontwikkeling van technieken voor een zwaartekrachtsgolfdetector van een nieuwe generatie, de Einstein Telescoop. Om deze te realiseren hebben acht onderzoeksinstituten, waaronder Nikhef, hun krachten gebundeld. De nieuwe detector moet een gevoeligheid halen die tien keer beter is dan die van de huidige LIGO en Virgodetectoren. Om de metingen zo min mogelijk te laten verstoren door trillingen van de aarde is het noodzakelijk dat de Einstein Telescoop diep onder de grond op een plaats met weinig seismische activiteit wordt gebouwd. Eén van de locaties die hiervoor zeer geschikt zou zijn, is in het zuiden van Limburg. Het internationale samenwerkingsverband wil de Einstein Telescoop daar graag bouwen en heeft daartoe een voorstel ingediend.

Nikhef heeft essentiële onderdelen van Advanced Virgo ontwikkeld:

– Cryogene vacuümlinks: apparaten die helpen bij het bereiken van het ultra-hoge vacuüm in de buizen door het bevriezen van waterdampresten

– Fase-camera’s: instrumenten die het licht van de laser nauwkeurig volgen om vervormingen in de spiegels te meten en te compenseren

– Seismische verzwakkingssystemen: systemen die de optische onderdelen van Advanced Virgo isoleren van bewegingen van het aardoppervlak. Met behulp van inverted pendulums (IPs), geometric antisprings (GAS) en een actief feedbacksysteem met gevoelige sensoren worden de trillingen van de aarde al bij hele lage frequenties zeer sterk gedempt.

– Seismische sensoren: sensoren om componenten van de seismische ruis die niet kunnen worden weggefilterd te meten. De verwachting is dat deze sensoren ook toepassing zullen vinden in de olie- en gasindustrie voor seismische verkenning en aardbevingsmonitoring. Nikhef werkt ook aan compacte micro-elektromechanische (MEMS) sensoren die ook bij lage frequenties zeer nauwkeurig trillingen kunnen meten en geschikt zijn om in grote aantallen te fabriceren.

– Lineaire uitlijning: De uitlijning van de spiegels in Advanced Virgo wordt voortdurend bewaakt met kwadrant-fotodiodes op optische tafels. De elektronica die de uitlezing van deze diodes bij hoge frequenties mogelijk maakt, is ontworpen en gefabriceerd bij Nikhef.

Daarnaast heeft Nikhef analysemethodes ontwikkeld om de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein te toetsen aan de waargenomen zwaartekrachtsgolven. De signalen van de samensmeltende zwarte gaten die in 2015 werden waargenomen vormen het ideale laboratorium voor deze analysemethoden. Bij nieuwe observaties zal deze methode ook worden gebruikt om de ART verder te testen. Nikhef werkt ook aan een manier om onbekende ronddraaiende neutronensterren met een partnerster te detecteren.

 

Draaien aan knoppen om Einstein te controleren

Compacte binaire systemen, zoals neutronensterren of zwarte gaten, zijn de ideale laboratoria om de structuur van neutronensterren te onderzoeken en de Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein te testen. Hoe dit in zijn werk gaat, is als volgt te begrijpen. Stel je een radio voor dat een signaal uitzendt dat perfect voldoet aan de ART. De radio heeft 7 knoppen die ieder het signaal laten afwijken van de ART. Als alle knoppen op nul staan, voldoet het signaal aan de ART. Hoe meer je aan een knop draait, hoe meer het signaal verandert. Hoe hoger het nummer van de knop, hoe zwakker dit vervormende effect.

Om de ART te testen, proberen wetenschappers door middel van het draaien aan de knoppen het theoretische signaal zoveel mogelijk te laten lijken op het gedetecteerde signaal. In principe betekent dit dat wanneer een knop afwijkt van nul, geconcludeerd kan worden dat de werkelijkheid afwijkt van de theorie die door Einstein is bedacht. Echter, in de praktijk wordt een meting door een detector ook verstoord door ruis, waardoor per abuis geconcludeerd zou kunnen worden dat het signaal afwijkt van de ART: de knoppen zullen niet op nul staan als geprobeerd wordt om het theoretische op het gemeten signaal inclusief ruis af te stemmen.

De onderstaande grafiek geeft weer hoezeer de zwaartekrachtsgolven wetenschappers in staat stellen om nauwkeuriger dan ooit de ART tegen het licht te houden. De punten op de horizontale as (“PN order”: parameters in de structuur van de golfvorm van het signaal) zijn te vergelijken met de 7 radioknoppen. De getallen op de verticale as zijn te vergelijken met de maximale afwijking van nul in de stand van de knoppen waarbij het theoretische signaal nog overeenkomt met het gemeten signaal. De blauwe driehoekjes geven de situatie weer op basis van metingen door elektromagnetische stralingsdetectoren; de rode vierkantjes op basis van zwaartekrachtsgolfmetingen. Het is duidelijk dat voor bijna alle knoppen de mogelijke afwijkingen van de ART nu binnen veel kleinere marges begrensd kunnen worden dan ooit eerder mogelijk was.

Fundamenteel onderzoek

Dit onderzoek is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gericht op het vergaren van basiskennis over alles om ons heen. Aan de basis van dit type onderzoek staat nieuwsgierigheid naar hoe de wereld om ons heen in elkaar zit en hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel open vragen.

Fundamenteel onderzoek is niet gericht om op korte termijn toepassingen te realiseren. Toch is één ding zeker: niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit het onderzoek zullen voortkomen. De geschiedenis leert dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen.

Website van Virgo (www.virgo-gw.eu)
Website van LIGO (www.ligo.caltech.edu)

Meer informatie over de Einstein Telescoop (PDF document – volgt)

Rimpels in de ruimtetijd openen jacht op Einstein (Virgo en Einstein Telescope) (artikel uit de Nikhef-special van New Scientist)

Lees het interview met Jo van den Brand en Chris Van Den Broeck over de eerste directe detectie van Zwaartekrachtsgolven

Lees meer over Virgo in het Nikhef-Jaarverslag 2016
Lees meer over Virgo in het Nikhef-Jaarverslag 2015
Lees meer over Virgo in het Nikhef-Jaarverslag 2014

Programmaleider Virgo