Onderzoek aan de dynamische ruimtetijd met zwaartekrachtsgolven

Nr januari 113

 

De Algemene Relativiteitstheorie die Albert Einstein in 1915 publiceerde, biedt een compleet nieuwe kijk op de verwevenheid van ruimte, tijd en zwaartekracht. De ruimtetijd blijkt krommingen te bevatten die wij ervaren als zwaartekracht en die veroorzaakt worden door de aanwezigheid van materie. Wetenschappers maken zich op voor de ultieme test van deze beroemde theorie. J.F.J. van den Brand FOM Instituut voor subatomaire fysica Nikhef, Amsterdam Vrije Universiteit Amsterdam Gecombineerd met recente waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling (o.a. de Planckmissie van ESA), weten we nu dat ons heelal voor circa 70 procent bestaat uit ‘donkere energie’. De rest bestaat uit materie en daarvan is het overgrote deel (85% van die fractie) ‘donker’. Het restje bestaat uit bekende, zichtbare materie. Ook weten we dat het heelal bijna 14 miljard jaar oud is en dat er een oogwenk na de Oerknal (het heelal was toen circa 10-33 seconden oud) een korte fase is geweest waarin het heelal als het ware overkookte en extreem snel uitdijde: de fase van inflatie. Op allerlei manieren is nagegaan of de basis van dit alles, de Algemene Relativiteitstheorie, wel solide is. Tot nu toe doorstond de theorie elk denkbare test. Maar doorstaat ze ook de meest nauwkeurige test van allemaal?

Figuur 1. Computersimulatie van zwaartekrachtsgolven, veroorzaakt door twee om elkaar draaiende zwarte gaten. (NASA/Henze)




Nr januari 111


Figuur 2. De samensmelting van compacte dubbelpulsars of dubbele

zwarte gaten biedt de meeste kans op de eerste directe waarneming

van zwaartekrachtsgolven. De computermodellen waarmee

je een indruk krijgt van wat er gebeurt bij zo’n samensmelting

zijn buitengewoon complex en staan thans op een heel hoog niveau.

(MPI für Grav. Phys / W. Benger – ZIB)

Zwaartekrachtsgolven

De Algemene Relativiteitstheorie zegt dat versnellende objecten trillingen veroorzaken in ‘het weefsel’ van de ruimtetijd. Dit zijn de zogeheten zwaartekrachtsgolven. Maar bestaan die ook echt? De detectie van zulke trillingen zal absoluut wereldnieuws zijn en is hoogst waarschijnlijk goed voor een Nobelprijs. Tot nu toe is detectie niet gelukt. Wel is er indirect bewijs gevonden dat ze moeten bestaan. Zeer nauwe dubbelpulsars (beide leden zijn neutronensterren) verliezen via het genereren van zwaartekrachtsgolven energie en daardoor draaien de beide componenten geleidelijk aan steeds dichter om elkaar. Dat laatste is ook echt zichtbaar en voltrekt zich precies zoals de Algemene Relativiteitstheorie voorspelt (zie ook Zenit november 2015, p. 12-16).

De detectie van zulke trillingen zal absoluut wereldnieuws zijn en is hoogst waarschijnlijk goed voor een Nobelprijs.

 

Nr januari 112

Figuur 3. Virgo bestaat uit interferometerarmen van 3 km lang en

wordt beheerd door een samenwerkingsverband van Frankrijk,

Itali. en Nederland. Op dezelfde locatie nabij Pisa zal ook het Advanced

Virgoproject worden gerealiseerd.

Nieuwe waarneemvensters

Ondanks haar fenomenale succes weten we dat de Algemene Relativiteitstheorie niet het laatste woord kan zijn over ruimtetijd en zwaartekracht. Zij faalt op schalen kleiner dan de Planckschaal (10-35 meter) waar kwantumeffecten dominant zijn (zie Zenit november 2015, p. 9). Er bestaat geen goede theorie voor kwantumgravitatie. Evenmin weten we hoe we de zwaartekracht moeten koppelen aan de andere fundamentele krachten: de elektromagnetische wisselwerking (straling), de zwakke wisselwerking (vervallen van isotopen) en de sterke wisselwerking (bijeenhouden van kerndeeltjes). Maar dat alles verhindert niet dat we op het punt staan om zwaartekrachtsgolven direct te gaan waarnemen. Wetenschappers richten zich daarbij niet alleen op het samensmelten van compacte dubbelobjecten, maar ook op de ‘afdrukken’ die de inflatie moet hebben nagelaten. Omdat zwaartekrachtsgolven zonder noemenswaardige verzwakking met de lichtsnelheid door de ruimte trekken, bewaren ze de originele informatie over hun ontstaansproces in gebieden met de hoogste materiedichtheid en de meest extreme versnelling van materie. De informatie ligt vast in het golflengte/frequentiebereik, het amplitudebereik en de voortplantingsrichting (zie kader). Er kan een nieuwe tak ontstaan binnen de sterrenkunde: zwaartekrachtsgolf-astronomie. Dat opent nieuwe vensters om het heelal te bestuderen, naast de ‘klassieke’ vensters die het elektromagnetisch spectrum al biedt. En wie weet wat voor nieuwe fenomenen dan aan het licht komen?

Detectoren

Sinds 2007 nemen Nederlandse wetenschappers van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en de Vrije Universiteit van Amsterdam deel aan het Virgo-project. In 2012 versterkten sterrenkundigen van de Radboud Universiteit Nijmegen dit team. Het samenwerkingsverband omvat nu 250 wetenschappers van 42 instellingen. Nikhef levert 15 mensen. Virgo concentreert zich op een detector voor zwaartekrachtsgolven op het terrein van het European Gravitational Observatory nabij Pisa, Italië. De detector is Europese project GEO600, het Amerikaanse LIGO en het Japanse KAGRA. De onderzoekers bij LIGO en Virgo werken nauw samen in de zogenaamde LIGO Virgo Collaboration (LVC).
De zwaartekrachtsgolven zorgen tijdens hun passage voor een minimale rimpeling in de ruimte, en daarmee tussen de afstanden van voorwerpen. Bij de lasertechniek wordt met behulp van laserstralen gemeten hoe de afstand tussen twee spiegels verandert. Hoe verder de spiegels van elkaar staan, hoe nauwkeuriger de detector is. Idealiter beschik je over drie haaks op elkaar staande armen zodat je op elk moment golven uit elke richting kunt meten. Virgo en de meeste andere detectoren hebben twee armen, maar dankzij de rotatie van de aarde verandert de stand van het tweetal en is de detector toch 3D-gevoelig. Overigens zijn de technische aspecten heel ingewikkeld. Detectie van zwaartekrachtsgolven vereist een uitermate stabiele opstelling en allerlei storingsbronnen moeten bekend zijn en worden gekarakteriseerd, zodat hun bijdrage van het (echte) signaal kan worden afgetrokken.Nr januari 114

Figuur 4. Ontwikkeling van de gevoeligheid van de Virgo-detector

tijdens het testbedrijf (C 1 – 7) en tijdens het wetenschappelijk bedrijf

(VSR). Na vijf jaar bereikte Virgo de beoogde gevoeligheid

(zwarte kromme). Advanced Virgo moet de gevoeligheid nog een

factor 10 verder opvoeren tot de bruine kromme.


Samen met collega’s uit Frankrijk, Hongarije, Italië en Polen, hebben Nederlandse wetenschappers instrumentatie ontwikkeld voor het Advanced Virgo-project. Verder hebben wetenschappers van Nikhef analysetechnieken ontwikkeld die gebruikt worden binnen de hele LVC. Het Amerikaanse LIGO werd operationeel in 2015 en het plan is dat in 2016 Advanced Virgo zich daarbij kan voegen. Haar detectoren zijn zo gevoelig dat er veel optimisme heerst over de kansen op ontdekking van de zo lang gezochte zwaartekrachtsgolven. De gevoeligheid wordt overigens niet alleen bepaald door de detectoren maar ook door de kwaliteit van de data- analyse en het zo goed mogelijk onderdrukken van ruis in de metingen. Nikhef werkt verder aan het verbeteren van computermodellen voor bronnen van zwaartekrachtsgolven en aan de voorbereiding van de volgende generatie observatoria, waaronder de Einstein Telescope en eLISA. Wat de Advanced Virgo-detectoren betreft, geldt dat de meeste bronnen van instrumentatieruis nu bekend zijn, zoals thermische effecten, strooilichtkwesties en eigenschappen van de meeten regeltechniek. Figuur 4 illustreert hoe de beoogde gevoeligheid voor de oorspronkelijke Virgo in 2011 werd bereikt en hoe die toeneemt via Advanced Virgo. LIGO en Virgo blijken ook erg betrouwbare instrumenten en leveren data in meer dan 80% van de beschikbare tijd. Virgo is vooral gevoelig voor signalen van dubbele neutronensterren, tot afstanden van 15 Mega parsec (Mpc, 1 parsec is 3,26 lichtjaar). Binnen dat gebied bevinden zich talloze sterrenstelsels, waaronder die van de rijke Virgocluster (vandaar de naam). LIGO’s bereik kwam in de eerste fase tot 20 Mpc en bedraagt inmiddels 70 Mpc. De samenwerking tussen beide projecten is intens en dat moet ook wel omdat een detectie zal vragen om een onafhankelijke bevestiging met een ander instrument. Later zullen KAGRA en het Indiase INDIGO zich bij het drietal voegen. Daarmee stijgen de kansen op de detectie van zwaartekrachtsgolven.
Virgo heeft geen detectie van zwaartekrachtsgolven opgeleverd, maar technisch gezien waren de detectoren een groot succes. Virgo leverde eigenlijk de basis voor een later wellicht wel succesvol observatorium. Er is een goede technische infrastructuur, er zijn betrouwbare instrumenten, de data-analyse is efficiënt en er is een goed samenwerkingsverband ontstaan met andere observatoria. Wetenschappelijk gezien is er een bovengrens vastgesteld voor de zwaartekrachtsgolven die door verschillende bronnen moeten worden uitgezonden, zoals de Krab- en Velapulsar, en de inflatieperiode. Echte detectie moet komen van Advanced Virgo, ingebed in het LVC-samenwerkingsverband met de andere – eveneens verbeterde – projecten.
In september 2015 startte de operationele fase van Advanced LIGO en in het laatste kwartaal van 2015 vonden de eerste wetenschappelijke metingen van de LIGO Virgo Collaboration plaats. De LIGO-interferometers zijn na de ‘upgrading’ ongeveer een factor 10 gevoeliger geworden. Met deze instrumenten kunnen wetenschappers een factor 10 dieper in het heelal kijken, waardoor het toegankelijke heelalvolume een factor 1000 groter wordt. Hiermee hebben de LVC wetenschappers voor het eerst een reële kans op het detecteren van zwaartekrachtsgolven.

Figuur 5. Systemen voor het onderdrukken van (seismische) trillingen, ontwikkeld

door wetenschappers op Nikhef. Vijf van deze systemen zullen actief zijn in het
vacuümvan de interferometerarmen en bereiken een trillingsvrij niveau van
enkele femtometers. De systemen bieden plaatsaan de optische sensoren die
de informatieverzamelenvoor de aansturing van de interferometer.

Nr januari 115Nederlandse rol

In de afgelopen zeven jaar heeft Nederland aanzienlijk geïnvesteerd in Virgo en Advanced Virgo. De financiering liep via NWO en FOM en stelde Nikhef, RU en de VU in staat om belangrijke deelnemers in het project te worden. Nederland is een kernspeler bij de ontwikkeling en levering van instrumenten. Nikhef is betrokken bij de bouwfase van Advanced Virgo en is onder andere verantwoordelijk voor het uitlijnen van de optische hoofdcomponenten van de interferometer, voor systemen die trillingen moeten dempen en voor verschillende optische sensoren plus optische systemen, zoals fase-camera’s en input-mode cleaners die de laserinterferentie controleren en vastleggen. Virgo beschikt over een 7.000 kubieke meter groot cryogeen Ultra Hoog Vacuüm systeem (UHV), de grootste in zijn soort in Europa, waaraan Nikhef heeft bijgedragen. Nikhef-wetenschappers houden zich verder bezig met de ontwikkeling van betere data-analysetechnieken om de signalen te onderzoeken op zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren. De Radboud Universiteit Nijmegen speelt een hoofdrol in de realisatie van BLACKGEM. Die zal bestaan uit 20 optische telescopen, opgesteld op La Silla (Chili), en geschikt om de optische tegenhangers van door LIGO en Virgo gevonden bronnen van zwaartekrachtsgolven op te sporen.
Het overgrote deel van de instrumentatie voor Advanced Virgo is inmiddels gerealiseerd en wordt nog dit jaar in de interferometer ingebouwd. Advanced Virgo zal zo gevoelig zijn dat de ‘waar-
Figuur 4. Ontwikkeling van de gevoeligheid van de Virgo-detector tijdens het testbedrijf (C 1 – 7) en tijdens het wetenschappelijk bedrijf (VSR). Na vijf jaar bereikte Virgo de beoogde gevoeligheid (zwarte kromme). Advanced Virgo moet de gevoeligheid nog een factor 10 verder opvoeren tot de bruine kromme. Figuur 5. Systemen voor het onderdrukken van (seismische) trillingen, ontwikkeld door wetenschappers op Nikhef. Vijf van deze systemen zullen actief zijn in het vacuüm van de interferometerarmen en bereiken een trillingsvrij niveau van enkele femtometers. De systemen bieden plaats aan de optische sensoren die de informatie verzamelen voor de aansturing van de interferometer. neemhorizon’ wordt opgerekt van 40 tot 80 Mpc voor dubbele neutronensterren. De verwachting is dat dit verder kan worden uitgebreid tot 200 Mpc. Op basis daarvan verwacht het onderzoeksteam zo’n 40 directe waarnemingen van zwaartekrachtsgolven per jaar.

Als mogelijke locatie voor de Einstein Telescope gooit Zuid-Limburg hoge ogen.

 

Bronnen en kenmerken van zwaartekrachtsgolven
Redactie

Bij elektromagnetische straling die door hemelobjecten wordt uitgezonden is de golflengte van de straling altijd veel en veel kleiner dan de afmeting van het object zelf. Bij zwaartekrachtsgolven is dat niet zo. Hun golflengten lopen uiteen van enkele kilometers, tot zo ongeveer de afmeting van het heelal. En verder gaat het om buitengewoon kleine amplituden. De lengte-verandering die men in de Virgo- interferometerarmen probeert te meten, bedraagt circa een duizendste van de diameter van een atoomkern, 10-20 meter. Overigens kun je met behulp van de lichtsnelheid gemakkelijk de frequentie uitrekenen: het product van frequentie en golflengte is de lichtsnelheid.

Welke bronnen van zwaartekrachtsgolven zijn er nu en hoe zien de bijbehorende golflengten en amplituden er uit? Voor LVC vormen samensmeltende dubbele systemen die bestaan uit neutronensterren en/of zwarte gaten de belangrijkste bronnen. Signalen hebben frequenties van 10 tot 1000 Hz en de amplitude is ongeveer 10-20 meter. Voor eLISA gaat het met name om supermassieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels en hebben we te maken met frequenties tussen 10-4 en 0,1 Hz. Een detector ziet de cumulatie van al die bronnen en daarom spreken we niet zozeer van de amplitude, als wel van de ‘stochastische (kans) maat’ van de amplitude. eLISA zal dan ook een stochastische achtergrond meten die afkomstig is van witte dwergsystemen.

Oerknal: achtergrondsignaal van zwaartekrachtgolven veroorzaakt door kwantumfluctuaties tijdens de oerknal, 13,82 miljard jaar geleden. Met name gedurende de eerste 10-33 seconde werkte gravitatie als een sterk afstotende kracht. In deze inflatieperiode werd een minuscuul klein volume praktisch instantaan ‘opgeblazen’ tot de kosmos. De sterkte van het signaal is niet goed bekend, en de golflengten kunnen maximaal zo groot zijn als de huidige kosmologische horizon. De exacte vorm van het spectrum is niet bekend.

Dubbelobjecten: LVC meet signalen van dubbele objecten die bestaan uit neutronensterren en of stellaire zwarte gaten. Voor eLISA bestaat het achtergrondsignaal uit duizenden individuele bronnen die niet van elkaar kunnen worden onderscheiden. De golflengte loopt van 1011 tot 1021 meter bij een maat van 10-21 tot 10-14 meter. In dit spectrum bevinden zich twee concentraties. Golflengten groter dan 1014 meter komen van dubbele massieve zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s. In het golflengtegebied van 1011 tot 1013 meter komt de bijdrage vooral van dubbele witte dwergsystemen in onze eigen Melkweg.

Dubbele massieve zwarte gaten: op het moment dat de objecten samensmelten ontstaat voor korte tijd een sterk signaal dat te herleiden is tot de ‘plaats delict’. De zwaartekrachtsgolven van zo’n gebeurtenis zijn in het hele heelal te zien. Zij zouden binnen het bereik van eLISA liggen.
Dubbele witte dwergen: boven de gezamenlijke stochastische bijdrage zijn er vermoedelijk een paar duizend gevallen individueel op te pikken. Ze staan allemaal in onze Melkweg en kunnen mogelijk worden opgespoord met eLISA.

Opslokken door massieve zwarte gaten van witte dwergen, neutronensterren en stellaire zwarte gaten: kortstondige gebeurtenissen bij een golflengte van circa 1011 meter en een maat van 10-20 meter. Zij zijn wellicht waar te nemen met eLISA.

Dubbele stellaire zwarte gaten: de golflengte van de zwaartekrachtsgolven die deze objecten uitzenden is relatief goed bereikbaar met Advanced Virgo en LIGO en loopt van 104 tot 109 meter met een helaas kleine maat van circa 10-22 meter.

Dubbele neutronensterren: de zwaartekrachtsgolven lijken op die van de dubbele stellaire zwarte gaten, maar concentreren zich naar de kortere golflengten. Zij zijn eveneens in het bereik van LIGO en Advanced Virgo.

Neutronensterren: snel roterende neutronensterren die niet helemaal as-symmetrisch zijn. Waardoor zulke oneffenheden kunnen ontstaan, voert te ver voor dit artikel. De veronderstelde zwaartekrachtsgolven die ze uitzenden hebben golflengten rond 106 meter maar het signaal is heel zwak met een maat van 10-24 meter. Zij liggen vermoedelijk grotendeels buiten het bereik van de huidige (en voorziene) observatoria.




Nr januari 116Toekomst

Inmiddels zijn er, onder andere in EU-verband, plannen gemaakt voor zwaartekrachtsgolven-observatoria van de derde generatie. Zo wordt gedacht aan de Einstein Telescope, voorzien van drie interferometer-armen van elk 10 km lang. Nikhef leverde een grote bijdrage aan de ontwerpstudies. De kans is groot dat het licht op groen gaat zodra de daadwerkelijke directe detectie met tweede generatie-observatoria een feit is. Als mogelijke locatie voor de Einstein Telescope gooit Zuid-Limburg hoge ogen, vanwege de gunstige geologische omstandigheden aldaar: een harde ondergrond en een zachte bovengrond die de achtergrondruis kan absorberen. Verder heeft de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in november 2013 het plan voor eLISA goedgekeurd. Dit demonstratieproject moet uiteindelijk leiden tot een interferometer in de ruimte, bestaande uit drie satellieten die in formatie vliegen met een tussenruimte van 1 miljoen km. Zo’n systeem is gevoelig voor golven met een veel lagere frequentie, zoals die worden uitgezonden door versmeltende zwarte gaten en door de inflatieperiode van het heelal. Kortom, er breken spannende tijden aan! Zal het lukken om de Algemene Relativiteitstheorie door de laatste, ultieme test te slepen via de directe waarneming van de voorspelde zwaartekrachtsgolven? We zullen het spoedig weten…

Figuur 7. Lisa Pathfinder is klaar om in een vacuüm testruimte te

worden geplaatst. Lisa Pathfinder test belangrijke technische componenten

van het eLISA-project. De lancering was op 3 december.

(Astrium UK)

 

 

 

 

 

Weersverwachting

Foto van de dag

Tweets over sterrenkunde

Contact

Stip Media

Louise de Colignystraat 15 

1814 JA Alkmaar

+3172 531 49 78

info@zenitonline.nl