21 mei 2019

Vanaf 1 april gaan LIGO en Virgo een jaar lang continu zwaartekrachtgolven jagen

De eerste metingen van de ruimtetijdtrillingen van twee botsende zwarte gaten in het heelal waren in 2015 nog wereldnieuws, maar binnenkort zijn zulke botsingen vermoedelijk wekelijks te meten. De zwaartekrachtsgolfdetectoren Virgo in Italië en LIGO in Washington en Louisiana beginnen 1 april – nee het is geen grap – aan een nieuwe meetcampagne die een vol jaar duurt. Sinds de vorige meetperiode zijn de drie detectoren voor zwaartekrachtsgolven technisch zodanig verbeterd dat vermoedelijk wekelijks een versmelting van twee zwarte gaten kan worden waargenomen.

Nu zullen vermoedelijk ook nieuwe verschijnselen te zien zijn zoals de botsing van een zwart gat en een neutronenster. Het Europees-Amerikaanse meetnetwerk gaat bovendien snelle alarmeringen leveren zodat astronomen en fysici bij een zwaartekrachtsgolf meteen naar de bron aan de hemel kunnen uitkijken. Met nieuwe software is dat binnen enkele minuten mogelijk, zodat telescopen en neutrino-detectoren kunnen meekijken.

Virgo en LIGO zijn gebouwd om de trillingen in de ruimtetijd te detecteren die werden voorspeld door Einsteins Algemene Relativiteitstheorie in 1916. Bij heftige kosmische gebeurtenissen als botsingen van extreem compacte massa’s voorspelt de theorie trillingen in de ruimtetijd die meetbaar kunnen zijn tot grote afstand. Afstanden tussen objecten zullen daardoor afwisselend een fractie groter en kleiner worden als de trilling de aarde passeert.
De Virgo- en LIGO-detectoren gebruiken een techniek waarbij laserstralen de afstand tussen spiegels meten in twee kilometers lange tunnels die haaks op elkaar staan. Met dergelijke laserinterferometers zijn variaties van minder dan een protondiameter te meten, mits alle achtergrondruis uit de omgeving wordt weggefilterd. Tot augustus 2017 werden er meer dan tien zwaartekrachtsgolven waargenomen, van botsende zwarte gaten en ook van botsende neutronensterren. Sindsdien is intensief aan verbeteringen van het meetnetwerk gewerkt. Nikhef is nauw betrokken bij de Virgo-detector bij Pisa in Italië. Prof. Jo van den Brand van Nikhef en VU Amsterdam is spokesperson voor het project.

‘Met onze drie detectoren met aanzienlijk betere gevoeligheid verwachten we diverse nieuwe waarnemingen te kunnen doen’, zegt Van den Brand. ‘Bovendien wordt preciezere driehoeksmeting mogelijk zodat we bronnen aan de hemel kunnen aanwijzen. Dat is een grote stap in de multimessenger-astronomie.’
LIGO en Virgo beginnen na wekenlange tests volgens plannen op 1 april aan een nieuwe ononderbroken meetperiode van een jaar. Een grote uitdaging, zegt directeur prof. Stavros Katsanevas van het European Gravitational Observatory EGO, dat buiten Pisa de Virgo-detector huisvest. ‘Gedurende een jaar 24 uur per dag foutloos in bedrijf blijven is een nieuwe stap na de pioniersfase waarin we de eerste observaties deden. Maar ik heb vertrouwen dat dit lukt.’
Vergeleken met de voorgaande meetperiode O2 is de gevoeligheid van Virgo ongeveer verdubbeld. Die gevoeligheid wordt doorgaans uitgedrukt in de afstand dat de detector een versmelting van twee neutronensterren nog zal waarnemen. Dat was 88 miljoen lichtjaar en wordt nu het dubbele. Daarmee wordt het volume van het heelal dat ermee bekeken kan worden achtmaal zo groot. Gezien de eerdere waarnemingen kan dat betekenen dat eens in de week een signaal wordt gevonden.
De hogere gevoeligheid van Virgo is met een reeks verbeteringen bereikt. De zware spiegels in de laserinterferometer zijn niet langer opgehangen aan stalen kabels, maar aan glasvezels. Daardoor is er minder ruis in de lage frequenties en kunnen daar ruimtetijdtrillingen beter worden opgevangen. De bronlaser van Virgo is ook krachtiger dan in de eerdere meetronde.
Voor het eerst wordt in Virgo ook gebruik gemaakt van een techniek van het Albert Einstein-instituut in Hannover om het effect van het laserlicht zelf op de spiegels te onderdrukken, zogeheten vacuüm state squeezing. Daarbij worden de quantumeigenschappen van licht slim benut om de gevoeligheid bij hoge frequenties te verbeteren.

In de LIGO-interferometers werd ook squeezing geïmplementeerd en werd het laservermogen verdubbeld. Ook zijn vijf van de acht spiegels vervangen. De laatste maanden werden de nieuwe systemen al uitgebreid getest tijdens zogeheten engineering runs. De huidige veertiende engineeringrun ER14 gaat maandag over in de echte meetperiode O3.
Inmiddels is in Japan de ondergrondse KAGRA-detector in voorbereiding. Die zou in de tweede helft van het komende meetjaar kunnen aanhaken bij LIGO-Virgo, zodat een echt wereldomspannend meetnetwerk wordt bereikt. Via driehoeksmeting is de bron van een zwaartekrachtsgolf dan nog veel exacter aan de hemel te lokaliseren. Bron: Nikhef.

Reacties

  1. Feitelijk zit het hele heelal vol met oscillerende dubbelsterren en die moet je bij voldoende gevoeligheid in het meetspectrum terug kunnen vinden als een sinus. Die kan je nu met cros correlatie uit de “ruis” vissen of met bekende pulsars. De som van al die verschillende random oscillaties in het heelal is nu nog een deel van die ruis.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: