11 april 2019

“De gevoeligste ‘oren’ op aarde worden weer gespitst op het heelal. Deze week zijn de zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO (in de Verenigde Staten) en Virgo (in Italië) begonnen aan een reeks nieuwe metingen. Hun gevoeligheid is tot wel twee keer groter dan tijdens eerdere experimenten. Wat kunnen we nog meer horen, naast het samensmelten van zwarte gaten? Ik bezocht vorig jaar de LIGO-detector om het uit te zoeken.”

Je leest:

Het onontdekte universum van zwaartekrachtgolven

Het onontdekte universum van zwaartekrachtgolven

Op bezoek bij zwaartekrachtgolfdetector LIGO Hanford

Auteur: | 18 september 2018

De afgelopen drie jaar vonden detectoren voor zwaartekrachtgolven samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren. Maar de techniek belooft veel meer. Onderzoekers hopen ermee ín neutronensterren te kijken, te bepalen hoe snel het heelal uitdijt en dichterbij de oerknal te komen. NEMO Kennislink bezoekt een detector in de VS en werpt een blik op de zwaartekrachtgolfastronomie.

Verbeterde LIGO en Virgo beginnen nieuwe metingen

Na zeker een jaar van verbeteringen begonnen de zwaartekrachtdetectoren LIGO en Virgo op 1 april 2019 een nieuwe ronde metingen die een jaar duurt. De machines zijn tot wel twee keer gevoeliger en kunnen daardoor verder het universum in ‘turen’. Ze proberen onder andere het samensmelten van zwarte gaten en neutronensterren vast te leggen. Gewelddadige gebeurtenissen die rimpelingen door de ruimtetijd sturen. Deze trillingen zijn al verschillende keren gemeten.

Op 3 december 2018 maken astronomen van de LIGO- en Virgo-detectoren bekend dat ze vier nieuwe signalen hebben gemeten van zwarte gaten die samensmelten. In totaal zijn er nu elf detecties gedaan van zwaartekrachtgolven: tien stuks komen van samensmeltende zwarte gaten, in een geval gaat het om botsende neutronensterren. Bij de nieuwe detecties zit ook een nieuwe recordhouder: een versmelting van twee zwarte gaten op een afstand van vijf miljard lichtjaar tot een nieuw zwart gat van zo’n 85 keer de massa van de zon. Het is de verste en ‘zwaarste’ gebeurtenis in zijn soort tot nu toe.

Afgelopen jaar ging NEMO Kennislink in de Verenigde Staten op bezoek bij de LIGO-detector en vroeg de wetenschapper wat ze verwachten binnen dit kersverse vakgebied. Want naast de botsingen van zwarte gaten en neutronensterren is er wellicht nog veel meer te ontdekken.

Luchtfoto van het hoofdgebouw van LIGO Hanford. De ‘betonnen armen’ van de detector lopen onder een hoek van negentig graden het gebouw uit.

Voor een machine die de diepste geheimen van het universum ontrafelt maakt hij niet zo’n indruk. Niets wijst erop dat de fabriekshal voor mij een verbinding heeft met de kosmos daarboven.

Merkwaardig zijn de twee kaarsrechte betonnen ‘armen’ die links en rechts uit het blauwwitte gebouw steken en in de verte aan de horizon verdwijnen. Als ik goed kijk zie in die richtingen ook gebouwen, naar verluidt de uiteindes van de armen op vier kilometer afstand. Meer indruk maakt de omgeving: de onmetelijke leegte van het dorre binnenland van de staat Washington in het noordwesten van de Verenigde Staten.

Het was deze ‘telescoop’ die drie jaar geleden voor het eerst direct het samensmelten van twee zwarte gaten detecteerde. Dat gebeurde in een ver sterrenstelsel, op 14 september 2015 om tien voor twaalf in de Nederlandse ochtend. Het opzienbarende daarvan was dat het ingekapselde hart van deze machine niet de straling van een gebeurtenis in het heelal registreerde (zoals vrijwel alle telescopen), maar minuscule trillingen in de ruimtetijd oppikte.

Impressie van zwaartekrachtgolven veroorzaakt door twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien en op elkaar botsen.

De ontdekking volgt bijna een eeuw nadat Albert Einstein voorspelde dat de ruimtetijd geen ‘solide raamwerk’ is waarin meetlatten altijd even lang blijven. Nee, afstanden veranderen als gevolg van sterke zwaartekrachtsvelden: de ruimte buigt in de buurt van zware objecten.

Een eeuw zwaartekrachtgolven

1916: Albert Einstein voorspelt zwaartekrachtgolven. 1969: Wetenschapper Joe Weber claimt zwaartekrachtgolven te meten met grote aluminium cilinders. De resultaten zijn niet reproduceerbaar. 1960-70: Het idee ontstaat om zwaartekrachtgolven te meten met een gevoelige laseropstelling, een interferometer. 1988: Er is groen licht (en geld) voor de ontwikkeling van zo’n interferometer in de Verenigde Staten. 2002: LIGO is af en begint te meten. 2008: LIGO maakt zich op voor een upgrade, die de detector tien keer gevoeliger maakt. 2015: Advanced LIGO is af. 2015: LIGO meet zwaartekrachtgolven, afkomstig van twee samensmeltende zwarte gaten. 2017: Nobelprijs voor de Natuurkunde voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven. 2017: De Europese Virgo-detector voegt zich bij de twee LIGO-detectoren. 2018: De bestaande detectoren worden gevoeliger. Wereldwijd worden verschillende detectoren ontwikkeld.

Nog sterker: wanneer extreem zware objecten om elkaar heen cirkelen krijgen ze de ruimte zelf als een soort drilpudding aan het trillen. Die trillingen bewegen zich met de lichtsnelheid door het heelal. Na het startschot van de zwaartekrachtgolfastronomie in 2015, hebben wetenschappers hoge verwachtingen. Een kijkje in het binnenste van een neutronenster, of een close-up van de allereerste momenten na de oerknal, wellicht kan het met zwaartekrachtgolven. NEMO Kennislink bezoekt LIGO Hanford in Verenigde Staten en vraagt wetenschappers naar hun verwachtingen van astronomie met zwaartekrachtgolven.

Haren tussen lichtjaren

Het detecteren van zwaartekrachtgolven is een ware krachttoer. Vanaf het idee voor de detector die ik vandaag bezoek lieten de eerste succesvolle metingen een halve eeuw op zich wachten.

Maar hoe werkt dat precies? Hoe maak je een meetlat voor de ruimtetijd, die zélf niet korter of langer wordt? Dat kan met licht, dat altijd dezelfde snelheid heeft. LIGO is een kilometerslange meetlat die gebruik maakt van laserlicht. Dat werkt ongeveer als volgt: een krachtige laserstraal schijnt op een splitser die de straal opdeelt en deze loodrecht door twee lange armen stuurt. Spiegels aan het einde van die armen kaatsen de straal weer terug en bij terugkomst worden de twee stralen zo gecombineerd dat ze elkaar uitdoven via zogenoemde destructieve interferentie. Passeert er een zwaartekrachtgolf? Dan veranderen die armen kortstondig van lengte en wordt de zorgvuldig opgebouwde interferentie heel even opgeheven.

Vergelijkingen schieten te kort om de precisie uit te drukken die LIGO haalt. Het is in staat lengteverschillen op te pikken in de orde van 10-19, ofwel 0,000.000.000.000.000.000.1 meter. Als je de lengte opblaast tot de afstand tussen de zon en de dichtstbijzijnde ster Proxima Centauri (4,2 lichtjaar) dan hebben we het nog steeds over een haardikte.

De grenzen van wat mogelijk is

Ik zit in het kantoor van Mike Landry. Hij is directeur van LIGO Hanford en wijst op zijn computerscherm naar talloze gekleurde lijnen. Elke lijn in deze grafiek geeft een bron van verstoringen aan: de natuurlijke vijanden van een zwaartekrachtgolfdetector op aarde. Wie een apparaat bouwt dat zó gevoelig is als LIGO begeeft zich in een moeras van storingsbronnen.

Tekening van de vierdubbele slinger waaraan de spiegels van zwaartekrachtgolfdetector LIGO hangen. Het gevaarte is ongeveer drie meter lang en absorbeert trillingen van buiten. Om thermische ruis te voorkomen zijn de draden van silica (hetzelfde materiaal als de spiegel) en slechts 0,4 millimeter dik.

De natuurlijke trillingen die op ieder moment door de aarde gaan zijn al een miljard keer groter dan de trillingen waar Landry en collega’s naar speuren. Zonder maatregelen meten ze hier alles behálve zwaartekrachtgolven: sporen van zeegolven die tegen de kust slaan, 350 kilometer verderop, of trillingen van voorbijrijdend verkeer. “Een mysterieus signaal dat ieder nacht klokslag twee uur ontstond en daarna langzaam wegebde bleek het lozen van overtollig water in een aantal stuwdammen op tientallen kilometers afstand te zijn”, lacht Landry.

LIGO barst van de snufjes die de ruis wegpoetsen. Er is een systeem dat seismische trillingen opspoort en via positieveranderingen van de spiegels wegfiltert. Omdat een ‘normale’ laser zelf veel te veel ruis produceert, heeft LIGO een van de meest stabiele lichtbronnen in zijn soort. De speciale coatings van de spiegels zijn ook een wetenschap op zich: ze weerkaatsen 99,9996 procent van het licht (een huis-tuin-en-keukenspiegel haalt zo’n 95 procent). Verder is de ophanging van de veertig kilo zware spiegels een ingenieuze vierdubbel uitgevoerde slinger die van nature trillingen absorbeert.

Om de invloed van lucht in de opstelling tegen te gaan, staat de gehele laseropstelling in een ultrahoog vacuüm. In de vier kilometer lange vacuümbuizen is er nauwelijks storing van stofdeeltjes of moleculen. LIGO is na de Large Hadron Collider de grootste vacuümkamer in de wereld.

Een ingenieur inspecteert een spiegel aan het uiteinde van een van de armen van LIGO op vervuiling.

Tandje beter

Toch moet het allemaal nog een tandje beter. De gevoeligheid waarvoor de detector is ontworpen, is nog niet bereikt, ook al is LIGO sinds de eerste metingen in 2002 al een aantal keer gevoeliger geworden. Vanaf dit punt is er technisch waarschijnlijk nog een verdubbeling van de gevoeligheid mogelijk.

LIGO zit nu midden in zo’n verbeterronde, die nog het hele jaar duurt. Dat is overigens te horen. Lopend door de gangen tussen de kantoren van LIGO hoor ik boren en ander elektrisch gereedschap op de achtergrond. Nu de detector geen metingen doet is dat de uitgelezen kans om ook onderhoud aan de gebouwen te doen.

De ‘verbouwing’ van de detector gaat wat subtieler. Verbeteringen zitten in ogenschijnlijk onbenullige details. Zo zijn de spiegel vervangen door exemplaren waarvan de coatings op een andere manier zijn aangebracht. Nieuwe sensoren speuren naar statische ladingen die die hangende spiegels een beetje uit het lood kunnen duwen. De laser krijgt een upgrade die de natuurlijke quantumruis in het licht op een slimme manier vermindert. “Soms slaan we met zo’n ingreep de spijker op zijn kop en neemt de ruis af, soms gebeurt er niks en heel soms introduceren we nieuwe ruis”, zegt Landry. “Nog steeds kunnen we niet alle ruis die we zien verklaren, er blijft dus werk voor de ingenieurs.”

De vacuümsystemen in het hoekstation van LIGO Hanford. De manshoge tanks huizen de optische systemen.

Sterren in de blender

De verschillende zwaartekrachtgolven die tot nu toe zijn gemeten, afkomstig van samensmeltende zwarte gaten.

Wanneer LIGO zijn ontwerpgevoeligheid haalt en twee keer gevoeliger is, zal hij ook twee keer zo ver kunnen ‘horen’. Het volume van het universum dat binnen bereik is verachtvoudigt daarmee. De verwachting is dat LIGO dan veel meer waarnemingen doet: botsingen van zwarte gaten en neutronensterren, of een combinatie daarvan. Volgens Chris Van Den Broeck is dat erg waardevol. Hij is onderzoeksleider bij de afdeling gravitationele fysica van onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. “We willen graag weten hoe vaak deze gebeurtenissen voorkomen, de voorspellingen hiervan lopen enorm uiteen”, zegt hij.

Meer metingen van neutronensterren (tot nu toe één waarneming) kunnen ook meer blootleggen over het binnenste van deze exotische objecten. Een neutronenster is het ultracompacte overblijfsel van ‘uitgebrande’ superzware ster. Niet groter dan enkele tientallen kilometers maar minstens zo zwaar als de zon. Atomen zoals wij die kennen bestaan hier niet, de materie bevindt zich waarschijnlijk in een bijzondere staat die hoofdzakelijk uit neutronen bestaat.

Via onder andere radiogolven zijn talloze neutronensterren gevonden, maar we weten nog maar weinig over hun dynamiek. Ook daar doen modellen erg verschillende voorspellingen, bijvoorbeeld over hun grootte en de eigenschappen van de exotische samenstelling. Een botsing biedt de uitgelezen kans om daar meer over te leren. “De doorgaans perfect rondvormige sterren vervormen en worden opengerukt. De zwaartekrachtgolven vertellen op welke manier dat gebeurt”, zegt Van Den Broeck. “Aangezien het gedrag de neutronenster waarschijnlijk vooral wordt bestierd door de sterke kernkracht, kunnen we deze kracht testen onder de omstandigheden die we met geen mogelijkheid kunnen nabootsen op aarde.”

Impressie van een neutronenster, een zeer compact overblijfsel van de kern van een zware ster nadat hij is geëxplodeerd.

Zwarte gaten als popcorn

Ook kunnen zwaartekrachtgolven uitsluitsel geven over hoe snel het heelal nu werkelijk uitdijt. Dát het universum steeds sneller uitdijt, daar zijn wetenschappers het wel over eens. Maar hóe snel precies, is de vraag. Metingen aan de kosmische achtergrondstraling en aan supernova’s leveren een andere maat op voor de uitdijing van het heelal. “Met zwaartekrachtgolven hebben we een derde en waarschijnlijk betrouwbare manier om de afstanden en snelheden in heelal te bepalen”, zegt Van Den Broeck. “Dat kan dus uitsluitsel geven in deze kwestie. Of weer een nieuwe waarde opleveren. Dan wordt het helemaal interessant.”

Impressie van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien en uiteindelijk samensmelten.

De kracht van zwaartekrachtgolven is dat vrijwel niets ze tegenhoudt. Onverstoord reizen ze door gas- en stofwolken, en zelfs door planeten en sterren. Zeker golven uit samensmeltende zwarte gaten hebben een enorme reikwijdte, op papier tot aan de randen van het zichtbare universum. “Het mooie daarvan is dat het een gereedschap is om die vroege periode van het heelal te onderzoek, de periode waarvan we met (radio)telescopen nauwelijks signalen ontvangen”, zegt Van Den Broeck. “Stel dat we zwarte gaten horen samensmelten in die periode, dan zou dat heel interessant zijn. Er was nog niet genoeg tijd voor het vormen van sterren! Het zou betekenen dat het om een soort ‘oer-’zwarte gaten gaat, die als het ware direct uit de oerknal ontstonden.”

Mochten detectoren straks werkelijk zo’n groot gebied bestrijken, dan horen we misschien wel een kakofonie van knallende zwarte gaten uit vrijwel het gehele waarneembare universum. Sommige modellen voorspellen ieder kwartier een detecteerbare golf. Door sommige wetenschappers ook wel het popcorn-geluid van het heelal genoemd.

Harde grenzen

Dat is nog niet eens alles. Van Den Broeck zegt dat zwaartekrachtgolven ook licht kunnen schijnen op de dynamiek van ontploffende supernova’s in de Melkweg, of de sporen van inflatie opvangen, de vermeende supersnelle expansie van het zeer jonge heelal.

Er is wat dat betreft nog een heel universum te ontdekken. LIGO en zijn Europese tegenhanger Virgo zijn slechts het begin. Hun ‘ontwerpgevoeligheid’ wordt naar verwachting over enkele jaren gehaald. Gevoeliger worden deze machines niet. In het lage frequentiegebied zijn seismische trillingen dan meer te overkomen, bij hogere frequenties gooien trillingen van moleculen en quantumfluctuaties van de laser roet in het eten. Daar kunnen de ingenieurs niet meer omheen werken.

De eLISA is een voorgestelde detector voor zwaartekrachtsgolven in de ruimte.
NASA

In het volgende decennium neemt de Einstein Telescope het stokje wellicht over. Dat is een interferometer die door extreme koeling en een ondergrondse ligging minder last heeft van verstoringen dan LIGO en Virgo. Nederlandse en Belgische universiteiten doen momenteel hun best om dat project naar Zuid-Limburg te halen, daar waar de ondergrond en infrastructuur volgens hen erg geschikt is. Contracten voor het ontwikkelen van een proeftuin voor die telescoop zijn al getekend.

Uiteindelijk belanden we in de ruimte met detectoren zoals LISA. Een ruimtemissie die gepland staat voor lancering in 2035, en die bestaat uit die sondes die op onderlinge afstanden van miljoenen kilometers een oor leggen op de ruimtetijd. En het werk voorzetten dat met LIGO is begonnen.

Deze publicatie is tot stand gekomen met steun van het VWN Tripfonds onder beheer van de Vereniging voor Wetenschapsjournalistiek en -communicatie Nederland.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 september 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.