Updates van de experimenten: Zwaartekrachtgolven

01 - 12 - 2014


In deze nieuwsserie ‘Updates van de experimenten’ kijken we kort terug op 2014 en bespreken we de nieuwste ontwikkelingen en verwachtingen van de Nikhef-experimenten in 2015.

Van Virgo naar Advanced Virgo

Virgo is een Michelson laser interferometer in Italië en is onderdeel van een wereldwijd netwerk van detectoren voor het waarnemen van zwaartekrachtgolven. Sinds de start in 2010 is er totaal twee jaar lang gemeten met Virgo. Nikhef-onderzoeker Jo van den Brand is de projectleider van de Nederlandse inbreng binnen Virgo: “We hebben tijdens de runs belangrijke fysica en astrofysica gedaan, maar zwaartekrachtgolven zijn helaas niet gedetecteerd. We hebben de gevoeligheid bereikt die we van tevoren geprojecteerd hadden, een internationaal netwerk gerealiseerd, en er is veel vertrouwen in de technologie en de instrumentatie. Daardoor hebben de financieringsinstituten de benodigde middelen vrijgemaakt voor de upgrade, Advanced Virgo.”


Samenwerking

Het zoeken naar zwaartekrachtgolven is meer het bundelen van krachten dan een wedstrijd. De beste manier om onderzoek te doen is namelijk met een volledig geïntegreerd netwerk van interferometers verspreid over de wereld (o.a. LIGO en GEO600). In 2018 wordt KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector in Japan) aan dit netwerk toegevoegd. Van den Brand: ”Dit project werd in 2011 goedgekeurd, en de voorgestelde interferometer heeft twee armen van drie kilometer. De installatie bevindt zich een kilometer onder de grond. Een ander project, Indigo, betreft een samenwerking tussen India en de Amerikaanse National Science Foundation (NSF). Hier wordt komend jaar over beslist.”

Upgrade
Virgo wordt nu Advanced Virgo. Veel onderdelen van de upgrade zijn op Nikhef gebouwd:

  • Vier cryolinks waarmee het vacuüm in de interferometer verbeterd wordt tot < 10-9 mbar
  • Zes opstellingen voor trillingsonderdrukking voor de meetapparatuur
  • De hoekuitlijning van alle optische componenten
  • Fasecamera’s waarmee amplitude en fase van de golffronten van diverse optische velden die resoneren in de cavities, nauwkeuring kunnen worden gemeten.

Van den Brand: “De fasecamera’s worden internationaal gezien als een van de meest uitdagende projecten van Advanced Virgo. De camera’s worden gebruikt om thermische aberraties op te sporen. Dat is cruciaal omdat de cavities bedreven worden op de grens van stabiliteit. Het komt voor dat sommige velden niet resoneren in deze cavities, terwijl andere velden ongewenst beginnen te resoneren; de fasecamera’s kunnen dat waarnemen. Vervolgens wordt deze informatie gebruikt om CO2-lasers en ringvormige verwarmingselementen aan te sturen, die dan warmtepatronen aanbrengen op de spiegels om dat dynamisch te corrigeren. Hierdoor kunnen we een nieuw type van adaptieve optica realiseren in interferometers.”

Eind 2014 moet alles geïnstalleerd zijn en dan begint het meest complexe proces, het in bedrijf stellen, dat heel 2015 in beslag gaat nemen. Vervolgens moet Advanced Virgo in november 2015 klaar zijn voor de eerste science run/’lock’ in 2016, samen met LIGO (LIGO loopt iets vooruit, en streeft naar eerste korte science run al in 2015).

Bronnen
Vervolgens is het wachten op signalen. De meest veelbelovende bronnen van  zwaartekrachtgolven zijn de compacte binaire systemen, zoals twee neutronensterren, twee zwarte gaten of een neutronenster en een zwart gat. Van den Brand: “Van de binaire neutronensterren weten we dat ze bestaan, die zijn door astronomen waargenomen. De vraag is nu: als je ongeveer een miljoen sterrenstelsels in je acceptatie hebt, hoe vaak gebeurt het dan dat binaire systemen samensmelten en dan een signaal geven.  De voorspellingen van sterrenkundige modellen lopen uiteen met een factor 1000. Als in de natuur een “optimistisch” model wordt gerealiseerd, dan hebben we meteen een succesvolle meting met detectie in 2016, maar als we uitgaan van de meest pessimistische schattingen, dan kan het nog wel tot na 2020 duren. Er zijn ook andere bronnen, zoals supernova’s, maar die zijn zeer onvoorspelbaar. De meest betrouwbare voorspellingen worden vooralsnog voor binaire systemen gedaan.”

In deze nieuwsserie verscheen eerder al:

Donkere materie (03-11-2014)