Je leest:

Nederlandse telescoop voor zwaartekrachtgolven

Nederlandse telescoop voor zwaartekrachtgolven

Deze week kende de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) 300.000 euro subsidie toe aan het BlackGEM-project. Hiermee hopen wetenschappers uiteindelijk de bronnen van zwaartekrachtgolven onder de loep te nemen.

Virgo
De Virgo-detector in het Italiaanse Toscane.
EGO / Virgo

Al jaren proberen wetenschappers zwaartekrachtgolven te detecteren. Dure observatoria, zoals LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië, werden gebouwd en luisterden langdurig naar de hemel. LIGO vanaf 2002 en Virgo vanaf 2007. Tevergeefs, want er werd tot nu toe nog niets gemeten.

Momenteel ondergaan LIGO en Virgo een upgrade die ze pakweg een factor 10 gevoeliger moeten maken. Bovendien krijgen de observatoria hulp uit Nederlandse hoek. Wetenschappers van de Radboud Universiteit Nijmegen werken momenteel aan BlackGEM, een verzameling van 15 optische telescopen die de zwaartekrachtobservatoria gaan assisteren op het moment dat er een zwaartekrachtgolf wordt gedetecteerd. Deze week ontving het project een subsidie van 300.000 euro voor de ontwikkeling van een koolstofvezel-frame.

In totaal kost de eerste fase van het project, waarin vijf telescopen ontwikkeld en gebouwd worden, zo’n 3 miljoen euro. Die financiering is met de toezegging van NWO rond, laat projectleider Marc Klein Wolt weten. Hij is universitair docent astrofysica van de Radboud Universiteit Nijmegen.

Golven in de ruimtetijd

Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst door Albert Einstein voorspeld in 1916. Zijn algemene relativiteitstheorie stelt zwaartekracht voor als een vervorming van de ruimtetijd. Hoe zwaarder een object des te sterker is die vervorming. Twee extreem zware objecten, bijvoorbeeld zwarte gaten, die snel om elkaar heen draaien of botsen zouden bovendien meetbare golven in die ruimtetijd moeten veroorzaken. Het zijn deze golven – die met de lichtsnelheid door het universum reizen – waarnaar wetenschappers op zoek zijn.

Ruimtetijdkromming
Een voorstelling van hoe objecten met massa de ruimtetijd vervormen.

Een zwaartekrachtgolf rekt de ruimtetijd als het ware heel even op als zij passeert. Volgens de theorie is die vervorming extreem klein, in de orde van 10-20 meter. LIGO en Virgo zijn ingericht om die minuscule veranderingen te detecteren. Dat doen ze met lasers die door twee kilometerslange buizen loodrecht op elkaar worden afgeschoten, op zo’n manier dat ze elkaar in het midden precies uitdoven. Een zwaartekrachtgolf zou een van die armen heel even iets langer maken waardoor de uitdoving niet meer werkt.

Eso1319c
Twee zware objecten kunnen een rimpeling in de ruimtetijd veroorzaken.

Maar dat is niet alles. Bronnen van zwaartekrachtgolven zou ook optisch zichtbaar moeten zijn. “Juist daarvoor wordt BlackGEM gebouwd”, zegt Klein Wolt. “We moeten zwakke ‘lichtflitsen’ kunnen zien op de plek waar bijvoorbeeld zwarte gaten botsen. Dat is waarschijnlijk maar een paar uur zichtbaar, dus je moet er snel bij zijn.”

Aan de hand van zo’n lichtflits kunnen wetenschappers veel preciezer bepalen waar de zwaartekrachtgolf vandaan komt, iets wat met LIGO en Virgo lastig is. Die plaatsbepaling is niet accurater dan een gebied van 400 keer de omvang van een volle maan. Naast een plaatsbepaling kan ook beter bestudeerd worden hoe deze uitbarstingen ontstaan.

Exclusief voor zwaartekrachtgolven

Als de vernieuwde Virgo- of LIGO-detectors straks een zwaartekrachtgolf mochten meten – voorspeld wordt dat er elke week zeker een paar passeren – dan wordt dat acuut doorgegeven naar de BlackGEM-telescopen op het La Silla-terrein van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht ESO in Chili. Deze worden dan gericht op het gebied waar de golf vandaan is gekomen. Klein Wolt en collega’s hopen dan een lichtbron te vinden die er eerder nog niet was: de bron van de golf.

Lasilla
Op deze hoge en droge hoogvlakte in Chili zijn de condities perfect voor sterrenkijken. De telescopen van het Nederlandse BlackGEM zullen hier verrijzen.
ESO/F. Kamphues

“Belangrijk is dat we deze lichtflitsen kunnen onderscheiden van al het andere dat in het universum gebeurt”, zegt Klein Wolt. “Er zijn namelijk meerdere variabele lichtbronnen die we in onze opnames gaan zien, zoals dubbelsterren, supernova’s, veranderlijke sterren maar ook kometen die toevallig voorbij vliegen. Doordat we van te voren een kaart maken van al deze veranderende bronnen zouden we de lichtflitsen van zwaartekrachtbronnen moeten kunnen ontdekken.”

Eso potw1036a small
De Very Large Telescope in actie.
ESO/Y. Beletsky

Klein Wolt zegt dat hij het grote voordeel van BlackGEM is dat hij exclusief gebruikt gaat worden voor het onderzoek naar zwaartekrachtgolven. “Met andere telescopen hebben we simpelweg niet genoeg waarneemtijd om alle veranderende bronnen aan de hemel in kaart te brengen. Dat duurt maanden. Bovendien, op het moment dat je een zwaartekrachtgolf detecteert kun je wel met de Very Large Telescope bellen [red: een van de krachtigste telescopen van het moment] om te vragen of ze hun telescopen daarheen draaien, maar dat duurt lang en het is de vraag of je dan voorrang krijgt boven andere metingen.”

Voor het eerst ogen

Met BlackGEM krijgen de zwaartekrachtdetectoren voor het eerst eigen ogen, waarmee de bronnen hopelijk gezien kunnen worden. Klein Wolt laat weten dat hun afdeling momenteel het enige actieve sterrenkundige instituut is in de samenwerking. “Tot een paar jaar geleden bestond het uit alleen maar natuurkundigen en die zijn voornamelijk geïnteresseerd in het detecteren van de zwaartekrachtgolven zelf. En dat gaat met BlackGEM veranderen.”

Toch lijkt het misschien een beetje raar dat er nu al telescopen worden ontwikkeld voor zwaartekrachtdetectoren die tot nu toe nog niets hebben gevonden. Wat als zelfs de verbeterde Virgo en LIGO-detectoren geen spoor van de golven vinden? “Die kans is klein, maar aanwezig,” zegt Klein Wolt. “Het kan dat de detectoren nog gevoeliger moeten worden of dat zwaartekrachtgolven toch anders werken dan we nu denken. Maar zelfs dan is BlackGEM niet voor niets gebouwd. Het in kaart brengen van zulke zwakke en variabele objecten is nog nooit gedaan voor de zuidelijke hemel. Dat gaat ongetwijfeld tot nieuwe ontdekkingen leiden.”

1/9

Extreme plekken voor natuurkunde

De natuur geeft zijn geheimen niet altijd gemakkelijk prijs. Wetenschappers bouwen de grootste detectoren om de allerkleinste deeltjes te onderzoeken. Bovendien ontkomt men daarbij vaak niet aan een verhuizing naar een bijzondere locatie. Kennislink maakt een ronde langs acht uitzonderlijke detectoren…

1/9

Rillende wetenschap

Het is misschien niet de meest comfortabele locatie voor wetenschappers, maar de kilometersdikke ijslaag op Antarctica vormt de perfecte plek voor deze neutrino-detector. IceCube bestaat uit 86 ‘lijnen’ die verticaal door het ijs lopen en waaraan per lijn 60 lichtdetectoren hangen. Zo wordt op een diepte van tussen de 1,5 en 2,5 kilometer een detector gevormd van ongeveer een vierkante kilometer. Het doel: neutrino’s detecteren die door hun botsingen met het ijs een lichtgloed afgeven.

1/9

Turen vanuit de ruimte

Sinds 2011 trekt de AMS-detector (hier net boven het midden van de foto) samen met het internationale ruimtestation ISS baantjes rond de aarde. Elke anderhalf uur de wereld rond op een hoogte van pakweg 400 kilometer. AMS is niet gericht op het prachtige uitzicht op de aarde maar speurt juist naar zaken uit de diepe kosmos. Dit jaar werd bekend dat de detector de grootste verzameling antimaterie, zoals positronen, ooit heeft waargenomen. Dat geeft wetenschappers weer aanwijzingen voor het vinden van donkere materie.

1/9

Carrièreswitch

Vroeger werd er gezocht naar ijzererts maar tegenwoordig doet de Soudanmijn in Minnesota dienst als vindplaats voor onbekende elementaire deeltjes. Detectoren van het SuperCDMS-experiment liggen hier een kleine kilometer onder de grond en speuren naar zogenoemde WIMP’s. Deze Weakly Interacting Massive Particles zijn kandidaten voor donkere materie. De detectoren bestaan uit extreem gekoeld halfgeleidend materiaal waarin na een vermeende reactie met een WIMP trillingen meetbaar zijn. Omdat de gebeurtenissen extreem zeldzaam zijn worden de experimenten diep onder de grond weggestopt om geen verstoringen te hebben van bijvoorbeeld kosmische straling.

Jon ‘ShakataGaNai’ Davis via CC BY 3.0
1/9

Ondergronds boottochtje

Het is een bijzondere plek voor een boottochtje, hier op zo’n 1000 meter onder de grond. Deze twee heren in hun opblaasbootje nemen er in ieder geval hun tijd voor. Ze roeien langzaam langs de lichtgevoelige detectoren van de Super-Kamiokande-deeltjesdetector die in een voormalige Japanse zoutmijn is gevestigd. Deze met 50 miljoen liter extreem zuiver water gevulde cilinder is bedoeld voor de detectie van neutrino’s, die notoir moeilijk waar te nemen zijn. Ontelbare hoeveelheden van de deeltjes worden door onder andere de zon uitgezonden, maar slechts een handjevol wordt door botsingen met het water in detectoren als Kamiokande gespot.

1/9

Golven in Toscane

OK, niet zozeer de locatie is spectaculair maar de natuurkunde des te meer. Apparaten zoals deze Virgo-detector in Toscane speuren naar zwaartekrachtsgolven die nog nooit zijn waargenomen maar wél worden voorspeld door de relativiteitstheorie van Albert Einstein. Ze ontstaan als twee zware objecten – zoals zwarte gaten of neutronensterren – om elkaar heen draaien en zo golven in de ruimtetijd veroorzaken. Virgo bestaat uit twee ‘armen’ van elk drie kilometer, waardoor laserstalen worden geschoten. Die bundels doven elkaar in het midden van de detector precies uit door interferentie. Een passerende zwaartekrachtsgolf zou een van de armen echter tijdelijk korter maken waardoor de uitdoving niet meer werkt.

1/9

Sterren spotten op de hoogvlakte

De hoogvlaktes van de Andes vormen het paradijs voor menig astronoom. Niet bepaald om er te zijn, want de kou en vooral het gebrek aan zuurstof vormen geen mensvriendelijke omgeving. Maar daar, op 5000 meter hoogte, opende radiotelescoop ALMA ongeveer twee jaar geleden zijn ogen. De droge en ijle lucht ter plekke levert de ideale omstandigheden voor het detecteren van elektromagnetische straling met een golflengte van een millimeter en kleiner. De 66 schotelantennes leveren astronomen haarscherpe beelden van zwarte gaten, stergeboortes en planetenstelsels.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / L. Calçada (ESO) via CC BY 4.0
1/9

Kosmisch geweld op de pampa

De dunbevolkte pampa’s van Zuid-Amerika bieden niet alleen plek aan grote grazers maar is ook thuis van het Pierre Auger-observatorium. De pakweg 1600 detectoren van het observatorium scannen de hemel op zogenoemde deeltjeslawines veroorzaakt door kosmische straling. Die zijn detecteerbaar met antennes die elektromagnetische straling oppikken. Die speurtocht is een kwestie van wachten. Lang wachten. Sommige van deze soort gebeurtenissen komen ruwweg één keer per jaar voor. Het is daarom cruciaal dat alle detectoren naar behoren werken op het moment dat er zo’n kosmische aanslag plaatsvindt.

1/9

Botsen met de lichtsnelheid

De grootste en bekendste deeltjesversneller ter wereld is te vinden ónder de witte toppen van de Alpen. De Large Hadron Collider (LHC) bestaat uit een 27 kilometer lange tunnel die onder Frankrijk en Zwitserland cirkelt. Daar doorheen worden onder andere protonen met bijna de lichtsnelheid versneld en op elkaar gebeukt, waarbij de deeltjes in veel kleinere deeltjes, zoals quarks, uit elkaar vallen. Eind 2008 liep de machine flinke schade op door een lekke heliumtank, daardoor liep het project ongeveer een jaar vertraging op. In juli 2012 werd dan toch de belangrijkste ontdekking van de LHC bekend gemaakt: het bestaan van het Higgsboson.

UCI UC Irvine via CC BY-NC-ND 2.0
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 maart 2014

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE