211service.com
Einsteins golven vangen
Astronomen observeren de lucht al bijna 400 jaar op in wezen dezelfde manier. Sinds Galileo zijn telescopen in 1609 op de maan richtte, hebben ze steeds geavanceerdere middelen gebruikt om licht te detecteren dat wordt uitgezonden door verre objecten, waarbij niet alleen zichtbaar licht wordt verzameld, maar ook radiogolven, röntgenstralen en andere vormen van elektromagnetische straling. Maar sommige van de meest opwindende dingen in de ruimte sturen geen licht onze kant op.
Afgestudeerde studenten Alma Steingart en Brett Shapiro, LIGO-wetenschapper Rich Mittleman en natuurkundeprofessor Nergis Mavalvala in het MIT LIGO-lab.
Het vermogen om het universum te observeren met iets anders dan licht zou een nieuw tijdperk van astronomie kunnen inluiden - een tijdperk waarvan MIT-fysici denken dat het binnenkort zal komen. Hun hoop hangt af van het detecteren van zwaartekrachtsgolven, een soort fundamentele straling die door Einstein in 1916 werd voorspeld maar nog niet direct werd waargenomen. Het analyseren van zwaartekrachtgolven zal volgens hen een ongekende manier bieden om de activiteit van spiraalvormige neutronensterren, zwarte gaten en de kernen van instortende sterren te bestuderen.
Niet alleen worden zwaartekrachtsgolven voorspeld door Einsteins relativiteitstheorie, maar de voorspellingen worden ook ondersteund door indirect empirisch bewijs, zoals veranderingen in de banen van binaire neutronensterren die wetenschappers al tientallen jaren observeren. Voordat astronomen zwaartekrachtgolven van verre objecten kunnen analyseren, moeten experimentele natuurkundigen de golven echter direct detecteren.
Een team van onderzoekers van MIT en Caltech kan de uitdaging niet weerstaan. Ze exploiteren gezamenlijk het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation op locaties in de staat Washington en Louisiana. LIGO, gebouwd in de jaren negentig, is gebaseerd op ontwerpen die in de jaren zeventig zijn ontwikkeld door Rainer Weiss '55, PhD '62, die nu emeritus hoogleraar natuurkunde aan het MIT is. Door veranderingen in afstand tussen fijn gekalibreerde spiegels te detecteren, meten LIGO's instrumenten kleine vervormingen in het weefsel van ruimte-tijd. Met de eerste generatie detectoren, die $ 230 miljoen kosten, was de kans op het detecteren van een zwaartekrachtsgolf klein. Maar LIGO-natuurkundigen denken dat ze nu de technologie hebben om de hoek om te draaien. Met upgrades in de maak, hopen ze een tienvoudige toename van de gevoeligheid te bereiken - genoeg, denken ze, om tegen 2014 een paar keer per maand zwaartekrachtgolven te detecteren.
Deze natuurkundigen pakken graag een van de moeilijkste precisie-engineeringproblemen ter wereld aan: het meten van afstanden die kleiner zijn dan de kleinste atoomkernen. Het is heel moeilijk. En dat heeft een enorme aantrekkingskracht, zegt Nergis Mavalvala, PhD '97, een universitair hoofddocent natuurkunde die verbeterde instrumenten ontwerpt voor LIGO. Maar nog spannender dan de uitdaging is de potentiële uitbetaling. Zwaartekrachtgolffysica gaat de manier waarop we het universum zien veranderen, zegt universitair hoofddocent natuurkunde Erik Katsavounidis, die LIGO-gegevens analyseert. Er zijn weinig dingen in die klas.
Van Newton tot Einstein
Newton beschreef de zwaartekracht als een aantrekkingskracht tussen massa's. Maar zelfs Newton was ontevreden over zijn onvermogen om uit te leggen wat? oorzaken zwaartekracht. Dat werd overgelaten aan Einstein, die uitlegde hoe zwaartekracht ontstaat door de ruimte zelf op een nieuwe manier te beschrijven.
Vóór Einstein dacht men dat de ruimte absoluut was en bestond buiten de invloed van de massa's die zich erin bewogen. Einstein vatte ruimte op als kneedbaar en stelde voor dat tijd en ruimte deel uitmaakten van een vierdimensionaal systeem. Massa's zoals de zon vervormen het weefsel van ruimte-tijd, wat natuurkundigen ruimte-tijdkromming noemen. Deze kromming beïnvloedt de beweging van andere massa's: met andere woorden, het is wat we ervaren als zwaartekracht.
Terwijl massa's versnellen, stelde Einstein voor, veroorzaken ze rimpelingen in de ruimte-tijd, zoals de golven die door water reizen in het kielzog van een boot. Deze ruimte-tijd kielzog is wat hij zwaartekrachtgolven noemde. Net als licht- en geluidsgolven worden ze beschreven in termen van frequentie en golflengte. In de vergelijkingen van Newton wordt de zwaartekracht onmiddellijk uitgeoefend, een benadering die prachtig werkt voor het meeste van wat we kunnen waarnemen. Maar zwaartekrachtgolven planten zich met de snelheid van het licht voort door de ruimte-tijd. Dus elke verandering in de zwaartekracht van een object op afstand kost tijd om de aarde te bereiken, net zoals het licht dat doet. Dit alles duurt een tijdje om je hoofd rond te wikkelen, geeft Scott Hughes, een assistent-professor in de natuurkunde, toe.
Terwijl zwaartekrachtgolven reizen, rekken ze de ruimtetijd uit en knijpen ze samen, zegt Mavalvala. Als er nu één door u heen zou gaan, zou u misschien een beetje langer worden, dan een beetje korter; een beetje breder, dan een beetje dunner. Evenzo, als een zwaartekrachtgolf door twee objecten gaat, varieert de afstand tussen hen. LIGO is ontworpen om dit effect te meten.
Toevallig zijn de dingen die LIGO goed kan detecteren, zoals zwarte gaten die botsen met neutronensterren, niet goed te zien met telescopen. Maar hoewel zulke verschijnselen interessant zijn, is de echte waarde van het bestuderen ervan, zegt Hughes, dat ze ons in staat zullen stellen de natuurwetten te testen in gebieden van het universum die heel anders zijn dan de onze.
De wetten van Newton werken goed in ons zonnestelsel, waar de zwaartekracht zwak is. Maar in de buurt van zwarte gaten, zegt Rainer Weiss, wordt de ruimte zo sterk aangetrokken dat ze niet meer plat is; het is op vreselijke manieren in zichzelf opgerold. Met LIGO, zegt hij, gaan we dingen zien uit regio's in het universum waar Einstein het hele verhaal is. Newton kun je vergeten. LIGO, hopen natuurkundigen, zal openen wat Hughes een extreem laboratorium noemt. Het meten van zwaartekrachtsgolven zal ons inzicht geven in de diepste aard van ruimte en tijd, zegt Edward Bertschinger, hoofd van de fysica-afdeling van het MIT. Totdat we ze grondig bestuderen, hebben we de zwaartekracht niet begrepen.
Het duurde echter lang voordat de gevestigde fysica geloofde dat technologieën die zijn ontworpen om zwaartekrachtgolven te meten, de moeite waard waren om in te investeren. Weiss, die zijn hele carrière bij MIT heeft doorgebracht, speelde een belangrijke rol bij het keren van het tij.
De oorsprong van LIGO
Zelfs Einstein erkende dat zwaartekrachtsgolven moeilijk, zo niet onmogelijk, te meten zouden zijn. Hoewel hij geloofde dat ze echt bestonden, begonnen natuurkundigen in de jaren dertig zwaartekrachtsgolven te beschouwen als wiskundige curiositeiten. En zonder enige manier om zijn ideeën erover te testen, trok Einstein zelf terug van zijn eerdere beweringen.
Maar in 1960 besloot een man die Weiss moedig en fantasierijk noemt, te proberen zwaartekrachtsgolven te meten. Joseph Weber, een professor aan de Universiteit van Maryland, bouwde een detector die werkte als een metalen xylofoonstaaf; maar in plaats van te trillen wanneer hij door een hamer wordt geraakt, zou hij trillen wanneer hij door zwaartekrachtsgolven wordt geraakt. Weiss zegt dat Weber allerlei prachtige dingen zag en beweerde dat hij had ontdekt wat Einstein voorspelde.
Het probleem was dat niemand zijn resultaten kon dupliceren, hoewel Weber, die in 2000 stierf, bij hen bleef. Weiss zegt dat een zorgvuldiger natuurkundige sceptischer zou zijn geweest over zijn eigen conclusies; hij speculeert dat de machines van Weber dingen als blikseminslagen of problematische telefoonlijnen hebben gedetecteerd, maar Weber heeft geen andere mogelijke verklaringen voor zijn gegevens onderzocht. Zonder onafhankelijke bevestiging van de golven van Weber raakte het veld in een vreselijke staat, zegt Weiss.
Weiss, niet minder fantasierijk dan Weber, was ook geïnteresseerd in zwaartekracht vanuit een experimenteel perspectief. Hij was in de jaren vijftig van het MIT gezakt, maar kreeg nog een kans van de legendarische natuurkundeprofessor Jerrold Zacharias, die hem inhuurde om in zijn laboratorium te werken. Na het behalen van zijn doctoraat aan het MIT, bracht Weiss tijd door aan de Princeton University in het laboratorium van Robert Dicke, een vooraanstaand expert in zwaartekracht.
Kort nadat hij terugkwam bij het MIT als professor, kreeg Weiss de opdracht om een klas relativiteitstheorie te geven. Het was de lente van 1966 en de detector van Weber was in gebruik. Ik begreep niet wat Weber aan het doen was, herinnert Weiss zich, dus besloot hij zwaartekrachtsgolven aan zijn studenten uit te leggen door de meest eenvoudige uitleg te bedenken over hoe je er een kunt detecteren die ik me kan voorstellen. Zijn idee was om een interferometer te gebruiken, een L-vormige configuratie van spiegels op gelijke afstand van elkaar die laserlicht gebruikt om de afstand nauwkeurig te meten. Als zwaartekrachtsgolven objecten passeren, rekken en comprimeren ze de ruimtetijd op zo'n manier dat de afstanden tussen die objecten veranderen. Hoe groter de initiële afstand tussen twee objecten, hoe groter de verandering. Hoe groter de verandering, hoe gemakkelijker het is om te meten.
In de komende jaren ontwikkelde Weiss prototypes voor wat LIGO zou worden. Onderzoekers van Caltech, evenals financiers van de National Science Foundation, stonden achter zijn plannen voordat de MIT-administratie dat deed; het Instituut was terughoudend om geld te besteden aan wat een riskant voorstel leek. Maar toen Weiss' samenwerking met Caltech's Kip Thorne en Ronald Drever eenmaal op zijn plaats was en de financiering rond was, stapte MIT in.
De LIGO van vandaag is een reeks enorme interferometers, twee met vier kilometer lange armen en een derde met twee kilometer lange armen. Meer als een oor dan een oog, zal LIGO alle golven opvangen die het kan horen, ongeacht uit welke richting ze komen. Maar Weiss hoopt dat de technologie zal gaan dienen als een nieuw soort telescoop.
Op de hoek van elke L bevindt zich een spiegel die een straal laserlicht in tweeën splitst en één straal langs elke arm door vacuümdichte roestvrijstalen buizen naar een spiegel aan het uiteinde stuurt. De spiegels reflecteren de stralen terug naar de hoek, waar ze opnieuw combineren om een interferentiepatroon van heldere en donkere vlekken te creëren. Dit patroon blijft hetzelfde zolang er niets beweegt. Maar als een zwaartekrachtsgolf door de interferometer gaat, knijpt hij subtiel de ruimte samen en rekt deze uit, waarbij de spiegels verdringen zodat het patroon verandert.
Dit klinkt eenvoudig genoeg. Maar het geluid uit het systeem krijgen is ongelooflijk complex. Al het andere op de planeet kan de spiegels meer bewegen dan zwaartekrachtsgolven, zegt Mavalvala, met weinig overdrijving. Ze vinkt een korte lijst af van fenomenen die LIGO kunnen verstoren: bewegingen van tektonische platen, oceaangolven, wegverkeer, metro's, zelfs alleen de activiteit van mensen die zich verplaatsen. Zelfs bij de fabricage van microprocessors met zeer kleine functies hoeven de dingen niet zo stil te worden gehouden als in de detectoren van LIGO. Alleen een visionair kan kijken naar de technische vereisten van LIGO en onverschrokken zijn, zegt Bertschinger.
Wetenschappers van LIGO analyseren gegevens van de eerste volledige run van de detectoren, van november 2005 tot oktober 2007. De enorme hoeveelheid gegevens - de detectoren genereerden ongeveer een gigabyte per dag - vormt een enorme rekenkundige uitdaging. Nog moeilijker is om zonder enige redelijke twijfel te beslissen hoe te bepalen wanneer een zwaartekrachtgolf is gedetecteerd. Gezien de erfenis van Weber, zegt Erik Katsavounidis, willen we er absoluut zeker van zijn.
Onderzoekers denken dat de huidige technologie van LIGO gewelddadige kosmische gebeurtenissen zoals supernova's moet kunnen detecteren, zolang ze niet te ver weg zijn. Voor onze melkweg hebben we een goede gevoeligheid, zegt Katsavounidis. Supernova's zijn echter zeldzaam; men denkt dat ze ongeveer eens in de 30 jaar binnen het bereik van LIGO voorkomen. Totdat LIGO verder kan kijken, zegt hij, zouden de beste potentiële bronnen van detecteerbare zwaartekrachtsgolven objecten kunnen zijn die astrofysici nog niet eens kennen.
De volgende generatie
Met behulp van het grootste ultrahoogvacuümsysteem op aarde kan LIGO spiegelverplaatsingen detecteren die zo klein zijn als 10-18 meter - een duizendste zo groot als de kern van het kleinste atoom. Die gevoeligheid zal binnen ongeveer een jaar verdubbelen, dankzij verbeteringen die Mavalvala vergelijkt met het plaatsen van een turbomotor in een auto. En het LIGO-team is van plan om de eerste detectoren helemaal te vervangen. Gebouwd voor een project genaamd Advanced LIGO, zal de nieuwe set detectoren 10 keer zo gevoelig zijn, waardoor het volume van de waarneembare ruimte duizendvoudig zal toenemen.
In het helder verlichte laboratorium van het LIGO-team met hangarachtige proporties aan de westkant van de campus van MIT, duikt Mavalvala haar hoofd met honkbalpet onder een van de twee roestvrijstalen buizen van 15 meter lang. De buizen worden in een L-vorm met elkaar verbonden en vormen zo een kleinere replica van de interferometers van Louisiana en Washington. In de buurt staat een apparaat dat lijkt te zijn opgebouwd uit een gigantische Erector-set op een verhoogd stalen platform ingekapseld in plastic zeilen. Mavalvala legt uit hoe Advanced LIGO ervoor zal zorgen dat de platforms waaraan de spiegels zijn opgehangen heel, heel stil blijven.
Wanneer het apparaat draait, detecteren versnellingsmeters op de platforms beweging, en motoren corrigeren dit door het platform in de tegenovergestelde richting te bewegen. Elke spiegel hangt aan zijn platform aan een draad met metalen en glazen gewichten. De resulterende slinger heeft een natuurlijke frequentie die lager is dan die van de zwaartekrachtsgolven. Wanneer het platform snel wordt geschud door seismisch geluid, zullen de slingers de beweging van de spiegels bufferen, zodat de kleine bewegingen als gevolg van zwaartekrachtgolven niet worden gemaskeerd.
Deze verbeteringen zullen de gevoeligheid van LIGO voor laagfrequente zwaartekrachtsgolven verbeteren. Maar bij het meten van verplaatsingen die veel kleiner zijn dan een atoom, hebben onderzoekers ook te maken met verschillende bronnen van ruis die de gevoeligheid in andere bereiken beperken. In het tussenliggende bereik wordt LIGO beperkt door thermische beweging: atomen bij temperaturen boven het absolute nulpunt verdringen zich. Zo introduceren de metaalatomen in de draden die de spiegels van LIGO ophangen ruis in het systeem. Advanced LIGO zal speciaal gemaakte vezels van kaal glas gebruiken, een materiaal met minder verlies: de atomen bewegen minder en er wordt minder van hun beweging overgebracht naar de spiegel.
Bij hogere frequenties zijn de kwantumeigenschappen van licht het probleem. Als je een meting doet met licht, zegt Mavalvala, heb je te maken met de ruiseigenschappen van het licht zelf. Meer laservermogen betekent een betere signaal-ruisverhouding: de geavanceerde laser van LIGO zal 20 keer zo krachtig zijn als de huidige.
Met deze verbeteringen zouden we één keer per week iets moeten zien, zegt David Shoemaker, SM '80, de MIT senior research scientist die Advanced LIGO leidt. Als we niets zien, is er iets mis met de algemene relativiteitstheorie.
Wanneer een zwaartekrachtgolf voor het eerst wordt gedetecteerd, gaat iedereen een rauw feest geven, zegt Scott Hughes. Als de katers voorbij zijn, gaan we zeggen: 'Oké, wat gaan we nu doen?'
Door computermodellen te maken van objecten zoals zwarte gaten, probeert Hughes erachter te komen hoe zwaartekrachtgolven kunnen worden gebruikt voor astronomie. Omdat er geen licht uit zwarte gaten ontsnapt, hebben natuurkundigen ze alleen indirect gezien, bijvoorbeeld door röntgenstralen te detecteren die sterren uitzenden wanneer ze naar binnen worden getrokken. Maar als zwarte gaten iets eten, zegt Weiss, laten ze een zeer tevreden boer: een zwaartekrachtsgolf. Gezien de manier waarop de algemene relativiteitstheorie dingen beschrijft, gezien de detectoren zoals we ze hebben ontworpen, zegt Hughes, hoe precies kan ik dingen doen zoals het meten van de massa en spin van een zwart gat?
De natuurkundigen die dergelijke vragen stellen, stappen het onbekende in en ze kunnen niet alles voorspellen wat ze zouden kunnen leren. Maar, zegt Bertschinger, ik wil dat MIT deel uitmaakt van dat tijdperk - om deel te nemen aan het toekomstige feest van de wetenschap.