Luisteren naar de hemel: de ontdekking van zwaartekrachtgolven bewees Einstein gelijk

in samenwerking met NAAM

De gebeurtenis was gedenkwaardig - en de verklaring die het aan de wereld aankondigde kwam op een behoorlijk opgewonden toon, terwijl het ook spaarzaam en to the point was: Dames en heren, we... hebben gedetecteerd... zwaartekrachtgolven! We hebben het gedaan!

Met die woorden onthulde David Reitze, uitvoerend directeur van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), de ontdekking op 11 februari 2016 aan een kamer vol journalisten in de National Press Club in Washington, DC. (De feitelijke detectie vond plaats op 14 september 2015.)

De ontdekking leverde het eerste bewijs ter ondersteuning van het geloof van Albert Einstein in het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven, dat deel uitmaakte van zijn algemene relativiteitstheorie. Een nieuw gebied van wetenschappelijk onderzoek, zwaartekrachtsgolfastronomie genaamd, voedde deze opmerkelijke prestatie bij LIGO - door het gebruik van een laserapparaat, een interferometer genaamd, dat zeer nauwkeurige sensoren, operationele versterkers en andere producten van Analog Devices, Inc. omvat. (ADI).

De bron van de zwaartekrachtgolf was de botsing van twee zwarte gaten, 1,3 miljard lichtjaar verwijderd van de aarde, die een zwaartekrachtgolfkracht creëerden die 10 keer groter was dan de gecombineerde uitgestraalde energie van alle sterren in het universum.

Ze vonden de [zwaartekracht]golven van Einstein 100 jaar later, en het gebeurde hier, en hier is de machine die het deed, verwondert David Kress, directeur technische marketing bij ADI en een MIT-alumnus. Er is niets beters - en ik weet dat onze rol erin zit.

Luisteren naar het universum

LIGO bestaat uit twee observatoria en faciliteiten - een in Hanford, Washington en de andere in Livingston, Louisiana - die beide in 2002 begonnen te werken. De National Science Foundation (NSF) financierde dat grootschalige natuurkundeproject en deze faciliteiten werden toen gemaakt, gebouwd en beheerd door Caltech en MIT. De dubbele observatoria, die tot nu toe tot de grootste en meest ambitieuze door NSF gefinancierde projecten behoren, zijn ontworpen om astrofysische zwaartekrachtsgolven waar te nemen - die niet echt kunnen worden gezien. De enige manier om het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven te detecteren, is door naar de hemel te luisteren.

Elke LIGO-faciliteit plaatst een laser in een ultrahoog vacuüm, splitst de laser in tweeën en stuurt elke straal langs een van de twee armen van 2,5 mijl die loodrecht op elkaar staan. De laserstralen worden vervolgens teruggekaatst door spiegels die aan de uiteinden van de armen zijn geplaatst.

Interferometers zijn onderzoeksinstrumenten die routinematig worden gebruikt in wetenschap en techniek. Ze werken door twee of meer lichtbronnen samen te voegen om een ​​interferentiepatroon te creëren dat kan worden gemeten en geanalyseerd. De interferometers van LIGO zijn ontworpen om metingen te detecteren die te klein zijn om via andere methoden te worden verkregen.

Wanneer een zwaartekrachtgolf passeert, verandert deze de tijd in de omgeving, waardoor een minieme beweging van de armen ten opzichte van elkaar ontstaat, in de orde van 1/1000ste van de breedte van een proton. Dat verandert de relatieve fasen van het geretourneerde licht zodra de apparaten de gegevens ontvangen, waardoor licht wordt afgegeven aan een optische sensor, wat resulteert in een meetbaar signaal of chirp.

Als je aan een traditioneel observatorium denkt, krijg je een mentaal beeld van iemand die door een zoeker gluurt en naar de ruimte kijkt door een telescoop die is ontworpen om licht te ontvangen, zegt Rich Abbott, hoofdontwerper van analoge circuits bij LIGO. Wat LIGO doet - en wat het uniek maakt - is dat het zwaartekrachtsgolven meet, die niet verschijnen als licht. Om de uitzonderlijke gevoeligheid van LIGO's interferometer te beschrijven, vergelijkt hij het met een weegschaal: Als je al het zand van al onze stranden op aarde zou kunnen halen en het op de weegschaal zou kunnen stapelen, is de LIGO-detector voldoende gevoelig om de verwijdering te detecteren van minder dan een zandkorrel.

Hoge prestaties: LIGO- en ADI-technologie

LIGO gebruikt een groot aantal geïntegreerde circuittechnologieën van ADI. De LIGO-interferometers werken door alle mogelijke bronnen van omgevingsgeluid en trillingen te voorspellen en te compenseren. Dat betekent dat de laseroutput die door de interferometer wordt gebruikt, ultrastabiel moet blijven, met extreem kleine variaties in frequentie en amplitude.

Om die reden had het LIGO-team een ​​feedbacksysteem nodig om de lichtopbrengst adequaat te meten en tegelijkertijd de amplitude te regelen. Dat vroeg om een ​​ultra-low-noise versterker met hoge prestaties. Het LIGO-team koos ADI's AD797 operationele versterker (of opamp) vanwege zijn zeer lage ruis en lage vervormingscapaciteiten. De AD797 opamp wordt onder andere ook gebruikt in infrarood- en sonarbeeldtoepassingen. Andere ADI-producten worden ook gebruikt in de LIGO-technologie:

• ADI's AD590 uiterst nauwkeurige temperatuursensor stabiliseert de laserfrequentie en meet de gemiddelde temperatuur van de glazen vacuümkamer waarin de laser zich bevindt.
• De output van de laser kan snel oplopen tot kilowatt in de resonantieholten van de armen, waardoor de metingen worden vervormd. LIGO gebruikt een ADA4700 hoogspannings-opamp om elektrostatische actuatoren aan te drijven om de spiegels op één lijn te houden.
• Elektromagneten drijven het spiegelophangingssysteem van LIGO aan. In dat systeem meet de AD736 RMS-chip de vermogensafgifte aan de elektromagneten, waardoor elke vereiste en nauwkeurige kanteling, helling en gier mogelijk wordt.

Het stabiliseren van de amplitude van de laser is een van de sleutels tot de succesvolle herkenning van de zwaartekrachtsgolven, omdat fluctuaties als signalen kunnen lijken, merkt Abbott op. Daarom hadden we zo'n gerichte, niet-tuin-achtige oplossing nodig.

Einstein bewijzen door middel van prestaties

Het allereerste beeld van een echt zwaartekrachtgolfsignaal werd aanvankelijk gedetecteerd bij LIGO Livingston; slechts 7 milliseconden later arriveerde het op de Hanford-site. De ontdekking vond plaats tijdens de eerste week van het gebruik van nieuwe geavanceerde LIGO-laserdetectoren, waaronder de ADI-technologieën voor geïntegreerde schakelingen. Het LIGO-team vond het geweldig om de zwaartekrachtsgolven zo snel na de installatie van het nieuwe apparaat te detecteren - en dat het signaal zo luid was dat het onmiskenbaar was.

De vertraging tussen de ontdekking van het zwaartekrachtgolfsignaal en de onthulling ervan weerspiegelde de behoefte van het team om te onderzoeken en te bevestigen dat het inderdaad echt was. Gedurende enkele weken voerden LIGO-wetenschappers experimenten uit bij beide observatoria om de mogelijkheid uit te sluiten dat een instrumentele anomalie of softwarefout de signalen veroorzaakte. Uiteindelijk voltooiden wetenschappers wat bekend staat als een correlatie- en koppelingsanalyse, waaruit bleek dat het signaal alleen in de verre ruimte kon zijn ontstaan. Alle LIGO-medewerkers waren vanaf dat moment tot de openbare aankondiging tot geheimhouding verplicht.

Later werd op eerste kerstdag 2015 een tweede zwaartekrachtsgolf gedetecteerd. Opnieuw hebben wetenschappers grondig onderzoek gedaan en, nadat ze de kosmische oorsprong van het signaal hadden bevestigd, kondigden ze de detectie aan op 15 juni 2016.

Toen Einstein het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven en zwarte gaten voorstelde, geloofde hij dat het in wezen onmogelijk zou zijn om ze daadwerkelijk vast te stellen. Het feit dat ADI-sensoren en andere apparaten hebben bijgedragen aan de precisie van de interferometers die deze prestatie uiteindelijk hebben geleverd, blijft een bron van grote trots voor degenen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van de technologie.

Analog Devices ondersteunt al meer dan 40 jaar precisietoepassingen voor aardobservatie, ruimtecommunicatie, lanceervoertuigen en verkenning van de ruimte, zegt Bob Barfield, directeur ruimtevaart en defensie bij ADI. Als je nadenkt over wat er in de ruimte is en wat verder gaat dan wat we nu weten, is het verbijsterend. Sommige dingen die worden ontdekt - het is gewoon opwindend om te denken dat we op het randje staan.

Ga voor meer informatie en om een ​​video over het LIGO-project te bekijken naar www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

zich verstoppen