Je leest:

Nieuw laboratorium moet Einstein Telescope naar Limburg halen

Nieuw laboratorium moet Einstein Telescope naar Limburg halen

Auteur: | 2 augustus 2019
Marco Kraan/Nikhef

Een club Belgische en Nederlandse wetenschappers die de Einstein Telescope naar Nederland wil halen raakt op stoom. Deze ultragevoelige detector moet over zo’n tien jaar zwaartekrachtgolven uit het heelal detecteren. In Maastricht verrijst nu een laboratorium dat de benodigde technieken test.

In Zuid-Limburg waren de mensen wel wat mijnbouw gewend, maar het soort mijn dat nu op de planning staat heeft niemand daar nog gezien. Drie kaarsrechte tunnels van elk tien kilometer lang die twee- tot driehonderd meter onder de grond in een driehoek met elkaar verbonden zijn. In die tunnels gaan geen kompels op zoek naar steenkool, maar speuren onderzoekers naar zwaartekrachtgolven.

Impressie van de Einstein Telescope in Limburg.
Marco Kraan/Nikhef

Deze mijn is de Einstein Telescope (ET), een gigantische zogenoemde laserinterferometer die via een ingenieus bouwwerk van lasers en uiterst nauwkeurig gebalanceerde spiegels in staat is minuscule veranderingen in de ruimtetijd op te pikken. Het doel: verre en gewelddadige gebeurtenissen in het heelal, zoals het samensmelten van zwarte gaten, op te sporen en te onderzoeken.

Maar voor de ET zijn technieken nodig die nog amper bestaan: grote spiegels van silicium uit één stuk, bekleed met een high-tech coating die ook bij -263 graden Celsius vrijwel al het laserlicht weerkaatsen. Daarom bouwen de voornamelijk Belgische, Nederlandse en later waarschijnlijk ook Duitse wetenschappers de ET Pathfinder, een laboratorium met een miniversie van de zwaartekrachtgolfdetector die eigenlijk alles kan, maar te klein is om de golven daadwerkelijk te detecteren. Deze zomer werd duidelijk dat alle neuzen dezelfde kant op staan en er genoeg financiering is om de veertien miljoen euro kostende verkenner te bouwen.

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

Rekbare ruimtetijd en de golven daarin

Wanneer extreem zware objecten, zoals zwarte gaten of neutronensterren, met hoge snelheid om elkaar heen draaien, kunnen ze golven in de ruimtetijd veroorzaken die met de lichtsnelheid door het universum reizen. Zo’n golf kan het best voorgesteld worden als het kortstondig uitrekken en in elkaar drukken van de ruimte. Je merkt er niets van. De schaal van dit fenomeen is kleiner dan de diameter van de kern van een atoom.

Albert Einstein voorspelde het bestaan van de golven honderd jaar geleden, maar hij dacht ze zo subtiel waren dat ze nooit meetbaar zouden zijn. Dat lukte toch in 2015, na een tientallen jaren durende krachtsinspanning van onderzoekers. Omdat de huidige detectoren zoals LIGO en Virgo alleen gevoelig zijn voor een bepaald soort golven, worden er al plannen gesmeed voor volgende generaties detectoren op aarde en in de ruimte.

Spiegels, pendulums en een muisstille koeling

De ET bestaat vooralsnog alleen op papier. Al zo’n tien jaar spreken Europese onderzoekers over de opvolger van de Virgo-detector in Italië, die op dit moment samen met de Amerikaanse LIGO-detectoren naar zwaartekrachtgolven zoeken. De ET is zeker tien keer gevoeliger dan de huidige detectoren, zodat er veel meer, maar ook andersoortige zwaartekrachtgolven meetbaar worden.

Impressie van de Einstein Telescope Pathfinder, een laboratoriumopstelling waarin verschillende technieken, zoals extreem stabiele spiegels, koeling en een vacuüm worden getest voor zwaartekrachtgolfdetectoren.
Marco Kraan/Nikhef

Waarschijnlijk in 2021 besluiten de betrokken Europese landen waar de faciliteit gebouwd wordt. Belgische, Duitse en Nederlandse wetenschappers van onder andere onderzoeksinstituut Nikhef hopen op (Nederlands) Limburg en treffen nu al de voorbereidingen met de ET Pathfinder. Deze heeft twee armen van twintig meter die loodrecht op elkaar staan. Laserlicht kaatst tussen die spiegels heen en weer. De laserbundels doven elkaar precies uit via een verschijnsel dat interferentie heet.

Om de zwaarktekrachtgolven te detecteren creëren de onderzoekers een van de gevoeligste machines ter wereld. Alle mogelijke trillingen worden zorgvuldig uitgeroeid. Naast het feit dat de Limburgse ondergrond erg stabiel is door een harde ondergrond met daarboven een zachtere dempende laag, hangen de spiegels in het apparaat aan meervoudige slingers die schokken absorberen. De temperatuur wordt verlaagd tot tien graden boven het absolute nulpunt om thermische verstoringen uit te bannen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Twente ontwikkelen daarvoor een speciale koeling zonder bewegende onderdelen.

De spiegels worden gemaakt van puur silicium uit een stuk, dat een extreem goede temperatuurgeleiding heeft en eventuele warmteontwikkeling van de lasers efficiënt afvoert. Daarop komt een coating van verschillende lagen die het laserlicht op een haar na perfect weerspiegelt. Ook de laser gebruikt trucjes, zoals het zogenoemde light squeezing, die ruis als gevolg van quantummechanische effecten onderdrukken. Tot slot komt de machine in hoogvacuüm te staan.

Nick Van Remortel is als universitair hoofddocent natuurkunde van de Universiteit Antwerpen betrokken bij de ontwikkeling van de ET Pathfinder en zegt dat vooral de combinatie van deze technieken in een opstelling uitdagend is. “Natuurlijk kunnen we de ervaring gebruiken die is opgedaan in eerdere observatoria voor zwaartekrachtgolven, maar in de praktijk beginnen we op veel vlakken opnieuw”, zegt hij. “Silicium spiegels met nanometerprecisie bij tien Kelvin (-263 graden Celsius – red.) met deze coating en megawatts aan laservermogen, dat heeft nog nooit iemand gedaan.”

Kansen voor Limburgse zwaartekrachtgolfastronomie

De kans dat de Einstein Telescope in Limburg wordt gebouwd en niet op een alternatieve locatie zoals Sardinië is groter dan vijftig procent, denkt Van Remortel. “De afgelopen anderhalf jaar hebben we flinke stappen gezet en in ieder geval in België vrijwel iedere universiteit aan boord gekregen. Ik denk dat we met de ET Pathfinder een streepje voor hebben op de andere locatie.”

Uitgelicht door de redactie

Astronomie
Nobelprijs natuurkunde voor kosmologie en exoplaneten

Scheikunde
Nobelprijs scheikunde voor uitvinders lithium-ion-batterij

Geesteswetenschappen
Nobelprijs voor Literatuur ‘een behoudende keuze’

Wat nu volgt een politieke en financiële test. Zijn de deelnemers bereid om te betalen? Met ruim een miljard euro vergt de ET een flinke investering, maar gezien de wetenschappelijke potentie van het zwaartekrachtgolfvakgebied lijkt financiering geen struikelblok te worden. De Europese Commissie onderzoekt de financiering in het kader van hun programma voor grote wetenschappelijke infrastructurele projecten. “Binnen een jaar moeten we garanties hebben”, zegt Van Remortel. “Dan kan de bouw in 2025 beginnen, met 2030 als streefdatum voor de opening.” Ambitieus, beaamt hij.

Mocht het Limburgse ET-feestje toch niet doorgaan dan is het geld voor de Pathfinder, waar de Belgische en Nederlandse overheid respectievelijk zeven en 3,5 miljoen euro aan bijdragen, niet verspild, vindt Van Remortel. “We gaan hier twee of drie decennia lang nieuwe technieken ontwikkelen voor gravitatietelescopen. Ik kan me zomaar voorstellen dat de Amerikanen uiteindelijk ook aankloppen om hier tests te doen voor hun volgende detector”, zegt hij. “Bovendien gaat dit laboratorium verkenningen doen voor nieuwe toepassingen, ook buiten de astronomie. Denk aan koeling voor het maken van micro-elektronica, optica voor chirurgie en telecommunicatie, materiaalkunde voor zonnecellen. Er is genoeg te ontdekken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 augustus 2019

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.