Naar de content

In totale geruisloosheid luisteren naar de kosmos

Hoe de Einstein Telescope Pathfinder (niet) jaagt op zwaartekrachtgolven

Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

In Maastricht ontwikkelen wetenschappers technologie voor de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectors. Ze werken aan een gevoelige microfoon die volgend decennium het uiterst subtiele ‘klotsen’ van het universum vastlegt.

Op een paar honderd meter van de Maas in het centrum van Maastricht staat een zwarte doos. Het is de bijnaam voor een raamloze fabriekshal waar in de jaren 80 het dagblad De Limburger van de pers rolde. Onlangs kreeg het gebouw een opmerkelijke wijziging in het bestemmingsplan: het gaat de geheimen van het universum ontrafelen, van het bepalen van de verdeling van donkere materie tot het in kaart brengen van botsingen van zwarte gaten. Best toepasselijk voor een zwarte doos.

Binnen de muren van de doos verrijst de Einstein Telescope Pathfinder, een groot en complex wetenschappelijk experiment die de technologie test om met een ongekende precisie naar het universum te ‘luisteren’. Het gaat hierbij niet om geluidsgolven, maar om zogenoemde zwaartekrachtgolven die ons van gewelddadige gebeurtenissen bereiken, zoals het botsen van zwarte gaten.

Albert Einstein voorspelde ruim een eeuw geleden het bestaan van dit soort golven en sprak meteen de verwachting uit dat we ze nooit zouden meten. Ze zijn te klein, te subtiel, dacht hij. Toch lukte het wetenschappers in 2015 voor het eerst om deze golven op te vangen. Een ontdekking die flinke golven in de natuurkundige wereld veroorzaakte en prompt een Nobelprijs opleverde.

Astronomen willen snel een nóg gevoeliger microfoon bouwen om meer zwarte gaten en andere exotische fenomenen zoals neutronensterren en donkere materie te onderzoeken. Maar het bouwen van een nieuwe detector kost tijd, zeker als je nog niet precies weet hoe dat moet. Meer precisie betekent het gebruik van nieuwe materialen en technieken. De Einstein Telescope Pathfinder in Maastricht test de technologie voor het echte instrument dat straks misschien wel in de Limburgse heuvels komt te liggen. NEMO Kennislink gaat op bezoek.

Een deel van een vacuümvat van de Einstein Telescope Pathfinder komt de cleanroom in Maastricht binnen.

 Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Absurde precisie

Tot mijn verrassing is de binnenkant van de zwarte doos spierwit. Ik sta in een kamer op de eerste verdieping en overzie door een aantal ramen een ruimte van ongeveer twintig bij dertig meter. Het enige wat in deze kamer níet spierwit is zijn de grote roestvrijstalen onderdelen die de ingenieurs naar binnen hijsen.

Deze onderdelen gaan uiteindelijk een groot vacuümvat vormen bestaande uit verschillende ‘torens’ die met horizontale buizen aan elkaar verbonden zijn. Dit is het beschermende huis voor een zogenoemde Michelson-interferometer, een vernuftige opstelling van een laser en een aantal spiegels waarmee je de meest precieze lineaal in de wereld kan bouwen. Met deze lineaal ‘meten’ onderzoekers straks de ruimtetijd, die een fractie van een seconde langer of korter wordt wanneer er een zwaartekrachtgolf passeert.

Een Michelson-interferometer kan extreem kleine lengteverschillen waarnemen. Deze animatie laat zien hoe het apparaat werkt.

Vergelijkingen om uit te drukken hoe klein zwaartekrachtgolven zijn schieten tekort voor het menselijke inbeeldingsvermogen. Het gaat over lengteverschillen die nog veel kleiner zijn dan de dikte van een atoomkern. De zwaartekrachtdetectoren LIGO (in de Verenigde Staten) en Virgo (in Italië) meten over een afstand van enkele kilometers lengteverschillen in de orde van 10-19 meter, ofwel 0,000.000.000.000.000.000.1 meter. De Einstein Telescope is nog eens tien keer gevoeliger dan LIGO en Virgo en ontvangt daardoor meer signalen en ‘kijkt’ dieper het universum in. In theorie registreert de telescoop tot wel duizend keer meer bronnen van zwaartekrachtgolven.

Bewapening tegen trillingen

De interferometer komt in zes torens die met elkaar verbonden zijn via horizontale metalen pijpen. Ze staan in een L-vorm met twee ‘armen’. De opstelling splitst licht uit een laser en stuurt die ieder een van de twee armen in. Spiegels aan het einde van die armen reflecteren het licht terug richting de bron waar ze samenkomen voor de uiteindelijke meting.

Impressie van de Einstein Telescope Pathfinder.

 Marco Kraan/Nikhef

Om zwaartekrachtgolven te detecteren moet de hele opstelling vrij zijn van alle voorstelbare trillingen en verstoringen. Van minuscule bevingen in de grond tot ‘vervuiling’ in het laserlicht, van natuurlijke trillingen van atomen tot elektrische ladingen die zich ergens in de opstelling schuilhouden.

De fundering van de hal kreeg al een upgrade van 170 betonnen palen: de eerste verdedigingslinie tegen trillingen van buitenaf. De hal is ingericht als een cleanroom waarin verstorende stofdeeltjes taboe zijn. De apparatuur zelf is verder opgeborgen in het hoogwaardige vacuüm van de torens en de buizen. De spiegels die het laserlicht reflecteren zijn zwaar (drie kilo) en hangen aan een zevenvoudige slinger. Dat is in feite een slinger, hangend aan een slinger, hangend aan een slinger…; een effectieve natuurlijke schokdemper.

Geen Nobelprijzen

Hoe perfect de machine ook functioneert, de Einstein Telescope Pathfinder levert geen metingen van zwaartekrachtgolven op. Daarvoor is een veel groter apparaat nodig, met armen van zo’n tien kilometer in plaats van twintig meter. Is dat eigenlijk niet een beetje zonde? Peter Cuijpers is een van de technici die de bouw van de machine in goede banen leidt en zegt dat het absoluut noodzakelijk is om eerst deze testopstelling te bouwen. “Stel je bouwt een huis, dan denk je achteraf: dit had ik anders gedaan”, zegt hij. “Dat is precies de reden dat we de Einstein Telescope Pathfinder bouwen. Je wilt geen verrassingen bij de bouw van de echte machine.”

Ook Stefan Hild is zich ervan bewust dat de uiteindelijke Einstein Telescope er met de wetenschappelijke buit vandoor gaat. Hij is als professor experimentele natuurkunde van de Universiteit van Maastricht betrokken bij de bouw van de testopstelling. “In dit laboratorium gaan we geen Nobelprijzen winnen”, zegt hij. “Maar als je het mij vraagt, dan werk ik liever hier dan bij de uiteindelijke machine die waarschijnlijk een organisatie van CERN-achtige proporties om zich heen heeft (CERN is het grote Europese deeltjeslaboratorium in Zwitserland – red.). Alles zal daar veel strikter zijn. Hier is meer ruimte om te ‘spelen’, ik kan tenminste nog een schroevendraaier in mijn hand houden of een stuk van het vacuümvat op zijn plek hijsen.”

Verraderlijk koud

Maar waar sleutelen de wetenschappers aan? Alle bovenstaande technieken zitten ook in bestaande detectoren zoals LIGO en Virgo. Een wezenlijk verschil is dat de Einstein Telescope (Pathfinder) zó gevoelig is dat trillingen van de atomen in de meetapparatuur zelf een probleem vormen. Het zijn de trillingen die wij ervaren als temperatuur en om daar vanaf te komen, koelen onderzoekers het hart van de machine tot zo’n 260 graden onder nul.

De installatie van de voet van een van de vacuümtorens van de Einstein Telescope Pathfinder.

 Einstein Telescope Pathfinder met toestemming

Zo koud koelen is op zich niet heel bijzonder, het gebeurt ook in andere wetenschappelijke experimenten. Maar in de Einstein Telescope is het verraderlijk: als de onderzoekers niet oppassen dan doet de kou namelijk meer kwaad dan goed. Er kan bijvoorbeeld een flinterdun laagje ijs neerslaan op de ijskoude spiegels, zelfs in het hoge vacuüm, als op een autoruit tijdens een koude winternacht. Een nanometers dik ijslaagje tast de hoge reflectiviteit van de speciale spiegels aan. Die reflecteren in optimale vorm zo’n 99,999 procent, in tegenstelling tot de pakweg 95 procent van een badkamerspiegel.

De koeling zelf is ook een uitdaging. Veel koelsystemen pompen vloeistoffen zoals helium en stikstof rond en de daarbij veroorzaakte trillingen willen de betrokkenen absoluut vermijden. Je zet tenslotte ook geen brommende koelkast midden in een geluidsstudio neer. Oplossingen zoals stille zogenoemde sorption coolers zijn niet zo krachtig. “De strategie die wij willen gebruiken is enigszins lawaaiig afkoelen, en de lage temperatuur zo lang mogelijk vasthouden met een beperkte koeler”, zegt Stefan Hild. “Spannend wordt het wel, dit aspect is in het experiment de grootste onbekende.”

Dan de spiegels. In LIGO en Virgo zijn het dikke glazen schijven die tientallen kilo’s wegen. Maar glas in koude toestand absorbeert het licht van de laser in plaats van het te reflecteren. “We stappen daarom over op spiegels van silicium”, zegt Hild. “Silicium is een totaal ander type materiaal dan glas. Hoe je dit moet polijsten is de vraag en het is een halfgeleider waarin ongewenste elektrische ladingen kunnen ophopen die het experiment verstoren.” Het vergt ook een andere (infrarood)laser.

KAGRA in Japan is een zwaartekrachtgolfdetector met gekoelde spiegels (van saffier). De ingenieurs van de Einstein Telescope kijken naar de uitdagingen die dat in Japan opleverde.

 ICRR

Pas als de alle onderdelen op zijn plek zitten en de machine naar behoren werkt, kan er gevochten worden tegen het laatste bastion van trillingen: quantumruis, extreem subtiele schommelingen in een lichtsignaal (zelfs als het afkomstig is van een stabiele laser). Er zijn wel wat ‘lasertrucjes’ waarmee ze kunnen spelen, zegt Hild, maar hier zal het spel om trillingen te elimineren eindigen. “We botsen hier op fundamentele limieten van de natuur”, zegt Hild. Zo speelt het zogenoemde onzekerheidsprincipe van Heisenberg een rol, dat grenzen stelt aan hoe precies je dingen kan meten. “Het betekent dat als we het ene moment een extreem precieze meting doen, we het moment daarna onherroepelijk wat precisie verliezen.”

Rechtstreeks de grond in

Uiteindelijk doen de wetenschappers honderden experimenten met de Einstein Telescope Pathfinder. Ieder onderdeel van de machine staat ter discussie. Of het nu om de coating van de spiegels gaat of de moertjes die de vacuümtanks bij elkaar houden. Als de technologie werkt begint de bouw van de Einstein Telescope, misschien wel op een steenworp afstand onder de Nederlandse en Belgische heuvels. Samen met het Italiaanse eiland Sardinië is het heuvelland in de race als bouwplek voor de echte telescoop. Een beslissing hierover wordt pas in 2025 verwacht.

De detector komt honderden meters onder de grond te liggen en is met een lengte van tien kilometer veel groter dan het experiment hier in de hal. Zijn de ingenieurs niet bang dat straks toch veel dingen anders zijn in de echte machine? “De technologie wordt als het goed is redelijk één-op-één gekopiëerd naar het ondergrondse experiment. Het enige verschil is dat er meer ruimte zit tussen de torens”, zegt Hild. In feite is de ruimtetijd het enige onderdeel dat in Maastricht niet op de testbank ligt.

ReactiesReageer