Componentkaarten
Wat zit er onder de grond? Maak kennis met de high-tech componenten van de Einsteintelescoop.
Zwaartekrachtgolven rekken de ruimte uit
Bij krachtige kosmische gebeurtenissen, zoals de samensmelting van zwarte gaten of de ontploffing van sterren, komen zwaartekrachtgolven vrij. Dit zijn kleine rimpelingen in de ruimte-tijd, die aan de snelheid van het licht naar ons toe vliegen. Wanneer zo’n golf hier op Aarde langskomt, wordt de ruimte zelf uitgerokken en samengedrukt, waardoor afstanden een klein beetje korter of langer worden.
Meten met een interferometer
Deze afstandsverschillen kunnen we proberen te meten, om hieruit informatie af te leiden over de bron van de zwaartekrachtgolf. We gebruiken hiervoor een interferometer. Dit is een instrument dat lichtstralen op een slimme manier opsplitst en samenvoegt, om zo afstandsverschillen te meten. Zo’n interferometer neemt een laserstraal, splitst die op in twee bundels, en stuurt ze door twee armen. Om te beginnen zijn de lichtbundels in fase: de lichtgolven gaan tegelijk op en neer. De laserstralen worden aan het einde van elke arm door een spiegel teruggekaatst, en komen terug samen in het hoekpunt van de detector. Wanneer de armen mooi even lang zijn, hebben de laserstralen exact evenveel afstand afgelegd, en komen ze dus ook in fase aan. Maar als één arm nét iets langer is — door bijvoorbeeld een passerende zwaartekrachtgolf — raken de golven uit fase. De lichtgolven gaan dan niet meer mooi tegelijk op en neer. Dit kunnen we meten door een sensor te plaatsen in het hoekpunt van de detector, die het faseverschil tussen de twee lichtbundels meet.
Onderdelen van de interferometer
Om zwaartekrachtgolven te kunnen meten, heb je een interferometer nodig met armen van wel enkele kilometers lang. Dit komt doordat de afstandsverschillen gegenereerd door zo’n golf ongelooflijk klein zijn. Op enkele kilometers afstand is het afstandsverschil kleiner dan de doorsnede van een atoom! Ter vergelijking: dat is alsof je de afstand van hier tot de dichtsbijzijnde ster wil meten met een nauwkeurigheid van de breedte van een haar.
De interferometers in zwaartekrachtgolfdetectoren moeten daarom ook enorm precies afgesteld zijn: kleine trillingen zoals die veroorzaakt door passerende vrachtwagens, door imperfecties in de lasers of door het opwarmen van de spiegels, zijn al genoeg om de meting te verstoren. De Einsteintelescoop zal het op al deze vlakken nog beter doen dan de huidige zwaartekrachtgolfdetectoren. De nieuwe technieken en wetenschappelijke innovaties die in de Einsteintelescoop toegepast zullen worden, kan je terugvinden op de componentkaarten van het spel Einsteins Echo.
Als de Einsteintelescoop hier in België gebouwd zal worden, zal de detector hoogstwaarschijnlijk de vorm aannemen van een gigantische driehoek, die diep onder de grond gebouwd zal worden. Deze driehoek zal zijden hebben van telkens 10 kilometer lang, en in de hoekpunten zullen torens staan van tientallen meters hoog. In de driehoek zullen alles samen zes interferometers geplaatst worden: twee in elk hoekpunt. Een van de twee detectoren meet zwaartekrachtgolven met hoge frequenties, en de andere meet lage frequentie golven. Door de verschillende frequenties van zwaartekrachtgolven te meten kunnen we naar verschillende kosmische bronnen van zwaartekrachtgolven luisteren.
Laser
De lasers die in de interferometers van de Einsteintelescoop gebruikt zullen worden, zijn heel nauwkeurig afgestemd op de signalen die we willen meten. Daarom gebruiken we ook twee verschillende lasers voor de hoge en de lage frequentie signalen. Bij een laser denk je misschien meteen aan een heel dun, rood lichtstraaltje, maar in werkelijkheid is dat helemaal anders: ten eerste zijn ze infrarood, dus niet zichtbaar voor het menselijk oog! Bovendien zijn de laserbundels zo’n 20cm breed. De lasers zijn zo krachtig dat we hun licht over een breder oppervlak moeten verspreiden, anders zouden ze gemakkelijk een gat branden in de apparatuur.
Spiegel
De laserbundels zullen aan het uiteinde van de armen weerkaatst worden door spiegels van ongekende precisie: omdat de afstandsverschillen van de zwaartekrachtgolven zo klein zijn, moeten de spiegels perfect vlak zijn. Ze krijgen meerdere lagen coating, die het oppervlak glad maken tot op moleculair niveau. De spiegels van de Einsteintelescoop zijn dus een stuk complexer dan een gewone spiegel die je in de winkel koopt. Je zou hem zelfs niet kunnen gebruiken, want je kunt er je spiegelbeeld helemaal niet in zien! De spiegels zijn namelijk transparant voor zichtbaar licht, en reflecteren enkel het infrarood licht van de lasers van de Einsteintelescoop. Om thermische ruis te beperken, moeten de spiegels voor lage frequenties bovendien gekoeld worden tot ongeveer -260 graden Celsius!
Sensor
De lichtbundels die via de spiegels terugkaatsen, worden daarna opgevangen en samengevoegd in extreem gevoelige sensoren. Deze sensoren meten het faseverschil tussen de twee lichtgolven, om te zien of een zwaartekrachtgolf de armen een beetje langer of korter heeft gemaakt. Deze sensoren werken als een soort omgekeerd LED-lampje: hoe meer laserlicht erop schijnt, hoe meer stroom het zal genereren. De Einsteintelescoop zal daarnaast ook vol staan met andere, gelijkaardige sensoren, die ervoor te zorgen dat de laser in het midden van de spiegel blijft schijnen. Probeer anders maar eens een laser te richten op een doel van 20 cm groot dat zich op 10 km afstand bevindt!
Vacuüm
Er zijn een veel externa factoren die de metingen kunnen verstoren en ruis veroorzaken. Daarom moeten we er alles aan doen om deze storingen te verminderen. Een van de oorzaken van ruis is de aanwezigheid van luchtdeeltjes in de buizen waar de lasers door lopen. Wanneer de laserstraal botst op zo’n luchtdeeltje, wordt de straal afgebogen. De lucht in de buizen zorgt dus voor ongewenste verstrooiing van de laser. In de buizen waar de laser doorheen reizen moet dus een hoogwaardig vacuüm heersen. Alle lucht wordt uit de buizen en torens weggezogen, tot er nog maar enkele luchtdeeltjes overblijven. Dit vacuüm is zo sterk dat de buizen extra verstevigd moeten worden, anders zouden ze door de buitendruk meteen instorten!
Demping
Een tweede storende factor wordt veroorzaakt door trillingen in de detector. Als de spiegels door bewegingen van buitenaf lichtjes heen en weer zouden schommelen, zou de interferometer geen zwaartekrachtgolven meer kunnen meten. Daarom worden de spiegels opgehangen aan ingewikkelde dempingssystemen. De trillingen worden gedempt door een aaneenschakeling van slingers, zware gewichten die met elkaar verbonden zijn door sterke touwen. Zelfs wanneer de muren van de detector beginnen trillen, zal de spiegel dan toch stil blijven hangen. De traagste trillingen kunnen we helaas niet dempen met een slinger. Daarom moeten we deze trillingen opmeten en actief compenseren door de spiegels in tegengestelde richting te bewegen.
Seismiek
Om de trillingen in de detector te verminderen, zal de Einsteintelescoop zo’n 200 tot 300 meter diep onder de grond gebouwd worden. Het drielandenpunt België - Nederland - Duitsland is hiervoor de ideale locatie: de ondergrond bestaat uit een zachte laag die trillingsgolven goed kan dempen, bovenop een harde laag die stevig genoeg is om de Einsteintelescoop in te bouwen. Zo verminderen we storingen van bijvoorbeeld passerende vrachtwagens, windmolens of aardbevingen. Toch worden niet alle trillingen volledig gedempt, dus wordt de volledige seismiek zorgvuldig in kaart gebracht. Door te meten welke trillingen toch nog doordringen in de detector, weten we welke ruis we in het signaal kunnen verwachten.
Analyse
Bovenstaande componenten werken allemaal samen om zwaartekrachtgolven zo precies mogelijk te meten. De signalen gemeten door de sensoren zijn dan klaar voor de laatste stap: de data-analyse. Eerst moet de overgebleven ruis gescheiden worden van het zwaartekrachtgolfsignaal. Uit wat overblijft, kunnen we dan de mysteries van ons heelal proberen doorgronden. Een van de uitdagingen van de Einsteintelescoop is tegelijk een van zijn sterktes: met de Einsteintelescoop zullen we veel meer signalen kunnen meten dan met huidige detectoren. Momenteel meten zwaartekrachtgolfdetectoren gemiddeld één signaal per week. Met de Einsteintelescoop zullen we tot wel honderd signalen per uur meten! Bovendien kunnen we met de lage-frequentie detector elk signaal veel langer detecteren. Signalen van verschillende bronnen zullen dus met elkaar overlappen, en het wordt een heuse uitdaging voor de data-analyse om de verschillende kosmische gebeurtenissen in deze signalen van elkaar te onderscheiden.