Na een onderbreking van drie jaar hebben wetenschappers in de VS zojuist detectoren geopend die zwaartekrachtgolven kunnen meten – kleine rimpelingen in de ruimte zelf die door het universum reizen.
In tegenstelling tot lichtgolven worden zwaartekrachtgolven bijna niet gehinderd door de sterrenstelsels, sterren, gas en stof die het universum vullen. Dit betekent dat astrofysici zoals ik door zwaartekrachtgolven te meten recht in het hart kunnen kijken van enkele van deze meest spectaculaire fenomenen in het universum.
Vanaf 2020 is het Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory – algemeen bekend als LIGO – slapend gebleven terwijl het een aantal opwindende upgrades onderging. Deze verbeteringen zullen de gevoeligheid van LIGO aanzienlijk vergroten en stellen de faciliteit in staat verder weg gelegen objecten te observeren die kleinere rimpelingen in de ruimtetijd produceren.
Door meer gebeurtenissen te detecteren die zwaartekrachtgolven veroorzaken, krijgen astronomen meer mogelijkheden om ook het licht te observeren dat door dezelfde gebeurtenissen wordt geproduceerd. Door een gebeurtenis via meerdere informatiekanalen te bekijken, biedt een benadering die multimessenger-astronomie wordt genoemd, astronomen zeldzame en begeerde mogelijkheden om meer te weten te komen over natuurkunde die ver buiten het bereik van enig laboratoriumexperiment ligt.
Rimpelingen in de ruimtetijd
Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein vervormen massa en energie de vorm van ruimte en tijd. De buiging van de ruimtetijd bepaalt hoe objecten ten opzichte van elkaar bewegen – wat mensen ervaren als zwaartekracht.
Zwaartekrachtsgolven ontstaan wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten of neutronensterren samensmelten, waardoor plotselinge, grote veranderingen in de ruimte ontstaan. Het proces van kromtrekken en buigen van de ruimte stuurt rimpelingen door het universum als een golf in een stilstaand meer. Deze golven verplaatsen zich vanuit een storing in alle richtingen, waarbij ze de ruimte enigszins buigen en de afstand tussen objecten op hun pad enigszins veranderen.
Hoewel de astronomische gebeurtenissen die gravitatiegolven produceren enkele van de meest massieve objecten in het universum betreffen, is het uitrekken en samentrekken van de ruimte oneindig klein. Een sterke zwaartekrachtgolf die door de Melkweg gaat, kan de diameter van het hele sterrenstelsel met slechts één meter veranderen.
De eerste waarnemingen van zwaartekrachtgolven
Hoewel voor het eerst voorspeld door Einstein in 1916, hadden wetenschappers destijds weinig hoop om de kleine afstandsveranderingen te meten die worden aangenomen door de theorie van zwaartekrachtgolven.
Rond het jaar 2000 voltooiden wetenschappers van Caltech, het Massachusetts Institute of Technology en andere universiteiten over de hele wereld de constructie van wat in wezen de meest nauwkeurige heerser ooit is: het LIGO-observatorium.
De LIGO-sonde in Hanford, Washington, gebruikt lasers om het kleine stuk ruimte te meten dat wordt veroorzaakt door een zwaartekrachtgolf.
LIGO-laboratorium
LIGO bestaat uit twee afzonderlijke observatoria, een in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana. Elk observatorium heeft de vorm van een gigantische L met twee 2,5 mijl lange (vier kilometer lange) armen die zich uitstrekken vanuit het midden van de faciliteit in een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar.
Om zwaartekrachtgolven te meten, stralen de onderzoekers een laser vanuit het midden van de faciliteit naar de basis van L. Daar wordt de laser gesplitst zodat een straal langs elke arm gaat, wordt gereflecteerd door een spiegel en terugkeert naar de basis. Als een zwaartekrachtgolf door de armen gaat terwijl de laser schijnt, zullen de twee stralen op steeds iets verschillende tijdstippen terugkeren naar het midden. Door dit verschil te meten, kunnen natuurkundigen zien dat er een zwaartekrachtgolf door de faciliteit is gegaan.
LIGO begon te werken in de vroege jaren 2000, maar was niet gevoelig genoeg om zwaartekrachtgolven te detecteren. Dus in 2010 sloot het LIGO-team de faciliteit tijdelijk af om upgrades uit te voeren om de gevoeligheid te verhogen. De geüpgradede versie van LIGO begon in 2015 met het verzamelen van gegevens en detecteerde bijna onmiddellijk zwaartekrachtgolven die werden geproduceerd door het samensmelten van twee zwarte gaten.
Sinds 2015 heeft LIGO drie observatieruns voltooid. De eerste, run O1, duurde ongeveer vier maanden. De tweede, O2, ongeveer negen maanden; en de derde, O3, werkte 11 maanden voordat de COVID-19-pandemie de faciliteit dwong te sluiten. Beginnend met de O2-run, observeerde LIGO samen met een Italiaans observatorium genaamd Virgo.
Tussen elke run verfijnden wetenschappers de fysieke componenten en data-analysemethoden van de sondes. Tegen het einde van de O3-test in maart 2020 hadden onderzoekers in de samenwerking tussen LIGO en Virgo ongeveer 90 zwaartekrachtgolven gedetecteerd van samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren.
Observatoria hebben hun maximale ontwerpgevoeligheid nog niet bereikt. Dus in 2020 waren beide observatoria weer gesloten voor upgrades.
Dankzij upgrades in hardware en algoritmen voor gegevensverwerking kan LIGO zwakkere zwaartekrachtgolven detecteren dan in het verleden.
LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel
Enkele upgrades maken
Wetenschappers hebben aan veel technologische verbeteringen gewerkt.
Een bijzonder veelbelovende upgrade betrof de toevoeging van een 300 meter lange optische holte om een techniek genaamd compressie te verbeteren. Door compressie kunnen wetenschappers detectorruis verminderen door gebruik te maken van de kwantumeigenschappen van licht. Met deze upgrade zou het LIGO-team veel zwakkere zwaartekrachtgolven moeten kunnen detecteren dan voorheen.
Mijn teamgenoten en ik zijn datawetenschappers in de LIGO-samenwerking en we werken aan een aantal verschillende upgrades van software die wordt gebruikt om LIGO-gegevens te verwerken en de algoritmen die zwaartekrachtgolfsignaturen in die gegevens identificeren. Deze algoritmen zoeken naar patronen die overeenkomen met theoretische modellen van miljoenen mogelijke samensmeltingen van zwarte gaten en neutronensterren.
Het verbeterde algoritme zou zwakkere tekenen van zwaartekrachtgolven gemakkelijker moeten kunnen onderscheiden van achtergrondruis in de gegevens dan eerdere versies van de algoritmen.
Astronomen hebben zowel zwaartekrachtgolven als licht vastgelegd dat wordt geproduceerd door een enkele gebeurtenis, de samensmelting van twee neutronensterren. De verandering in licht is in de loop van een paar dagen te zien in de inzet rechtsboven.
Hubble-ruimtetelescoop, NASA en ESA
Een hi-def-tijdperk van de astronomie
Begin mei 2023 startte LIGO een korte testrun – een mechanische run genoemd – om er zeker van te zijn dat alles werkte. Op 18 mei heeft LIGO zwaartekrachtgolven gedetecteerd die mogelijk worden veroorzaakt door een neutronenster die samensmelt tot een zwart gat.
LIGO’s observatieperiode van 20 maanden 04 begint officieel op 24 mei en zal later worden vergezeld door Virgo en een nieuw Japans observatorium – de Kamioka Gravitational-Wave Detector, of KAGRA.
Hoewel er veel wetenschappelijke doelen zijn voor deze run, is er een bijzondere focus op het detecteren en detecteren van zwaartekrachtgolven in realtime. Als het team een gravitatiegolfgebeurtenis kan identificeren, kan achterhalen waar de golven vandaan komen en andere astronomen snel op de hoogte kunnen brengen van deze ontdekkingen, kunnen astronomen andere telescopen sturen die zichtbaar licht, radiogolven of andere soorten gegevens verzamelen. bron van de zwaartekrachtgolf.
Het verzamelen van meerdere informatiekanalen over een enkele gebeurtenis – astrofysica met meerdere berichten – is als het toevoegen van kleur en geluid aan een stomme zwart-witfilm en kan een veel dieper begrip van astrofysische fenomenen opleveren.
Astronomen hebben tot nu toe slechts één gebeurtenis waargenomen in zowel zwaartekrachtgolven als zichtbaar licht – de samensmelting van twee neutronensterren waargenomen in 2017. Maar door deze enkele gebeurtenis hebben natuurkundigen de uitdijing van het universum kunnen bestuderen en de oorsprong van een aantal energetische gebeurtenissen in het universum bekend als gammastraaluitbarstingen.
Door O4 uit te voeren, krijgen astronomen toegang tot de meest gevoelige gravitatiegolfobservatoria in de geschiedenis en zullen ze hopelijk meer gegevens verzamelen dan ooit tevoren. Mijn collega’s en ik hopen dat de komende maanden zullen resulteren in één – of misschien meerdere – waarnemingen met meerdere berichten die de grenzen van de moderne astrofysica zullen verleggen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek door Chad Hanna in Penn State; Lees hier het originele artikel.
