Aflevering 4: Lasers, spiegels en verbrand haar

Hier gaan we wat dieper in op wat er gezegd wordt, en geven links naar meer bronnen van info. Toch nog vragen? Stuur ze naar ons!

• De geschiedenis van LIGO: Zie hier en hier voor wat meer uitleg.
• Een zwaartekrachtgolfdetector is een interferometer. Zie hier voor uitleg.
• ETpathfinder: een infrastructuur aan de Universiteit van Maastricht om nieuwe technologieën voor de Einsteintelescoop te ontwikkelen en te testen. Dit is een internationaal onderzoeksproject waarbij alle Vlaamse universiteiten partners zijn (zie hier).
• Elise droeg bij aan het “local control system” van ETpathfinder voor haar Masterthesisonderzoek. Zoals ze schetst, zijn de spiegels in een zwaartekrachtgolfdetector opgehangen in torens om grondtrillingen te dempen. Dit werkt goed om hoge-frequentie trillingen te dempen, maar niet zo goed voor lage frequenties. Het “local control system” meet de (lage-frequentie) uitwijkingen van de spiegel en werkt ze actief tegen.
  • Lees meer over trillingen dempen op de LIGO website.
  • Noise-cancelling koptelefoons zijn een goed voorbeeld van een “local control system”, dat actief (geluids)trillingen meet en tegenwerkt! Net als de “local control systems” van de zwaartekrachtgolfdetector, werken ze best bij lage frequenties, waardoor zeer hoge tonen soms nog hoorbaar zijn met zulke koptelefoon aan.
• Een “optical lever” is een constructie die zeer kleine bewegingen/verplaatsingen kan meten. De spiegels in ETpathfinder hangen aan een draadje, en hun positie wordt gemeten via terugkaatsing van een laserstraal (let op, dit is niet de laser die in de kilometerslange buizen wordt gestuurd om zwaartekrachtgolven te meten!). Dit artikel schetst mooi het belang van het stilhangen van de spiegels.
• Bij solderen kan je jezelf verbranden! Volg zeker steeds de veiligheidsvoorschriften.
• Elise onderzoekt voor haar PhD (doctoraat) de “input mode cleaner”. Dit systeem zorgt voor zuivering van de laser die in de 10 kilometer lange armen van de Einsteintelescoop wordt geïnjecteerd (door het “laser injection system”), voor zo precies mogelijke afstelling van frequentie en vermogen (“frequency stabilisation” en “power stabilisation”), en waarborgt dat de doorsnede van de laser een perfecte schijf is (de “mode cleaning”). Lees hier meer over de laser bij LIGO.
• Nieuwe laser sources (bronnen) zijn nodig voor de Einsteintelescoop t.o.v. huidige detectoren (zie ook hier).
• Bronnen van ruis: Elise vermeldt drie grote bronnen van ruis:
  • Kwantumruis (“quantum noise”) is een belangrijke limiterende factor voor hoge-frequentie detecties van zwaartekrachtgolven. Dit is ruis veroorzaakt door fotonen (lichtdeeltjes) die in de laserstraal niet op gelijke tijden aankomen en daarom onregelmatig botsen tegen de spiegels, waardoor de spiegels (te veel) heen en weer bewegen. Eén manier om dit op te lossen is “squeezing” (of “squeezed vacuum”), waardoor de fotonen wel meer gelijkmatig toekomen (zie ook dit artikel bij LIGO).
  • Thermische ruis (“thermal noise”): Dit zijn de trillingen van de individuele atomen van de spiegels zelf! Een manier om deze tegen te gaan is om de spiegels honderden graden beneden kamertemperatuur af te koelen, zodat de atomen minder gaan bewegen. Zie ook hier en hier.
  • Seismische ruis (“seismic noise”) bestaat uit de trillingen van de grond en aarde zelf, o.a. door menselijke activiteit. Daarom wordt de Einsteintelescoop ondergronds gebouwd!
• “Optical fiber” en “laser kamer”: lees ook hier meer over de laser bij LIGO.
• Een “clean room” is een afgesloten, gecontroleerde ruimte met zo weinig mogelijk stof en andere verontreinigingen die de instrumentatie kunnen beïnvloeden. Wanneer onderzoekers de clean room binnengaan, moeten ze eerst een speciaal pak aandoen dat hun kleren, haar en schoenen bedekt om te vermijden dat ze vuiltjes binnen brengen. De ETpathfinder is een van de grootste clean rooms in Europa! (Het is ook de grootste qua hoogte, maar niet qua oppervlakte.)
• Zoals Elise aangeeft, kunnen we vandaag of morgen ET zeker nog niet bouwen! Zo wordt onder meer nog volop onderzocht hoe we voldoende grote spiegels kunnen maken uit het juiste materiaal, welke laser de beste zou zijn om te gebruiken, enz.

Hier lijsten we enkele vragen op die kunnen dienen als aanzet tot discussie of verder opzoekwerk over de thema's in deze aflevering.
Merk op: we voorzien hier geen concrete antwoorden - kom je er niet uit? Zit je met een prangende vraag? Stel ze gerust via het podcast-contactformulier!

• Waarom is stilte (weinig trillingen of ruis) belangrijker voor ET dan voor een gewone (licht)telescoop?
• Als je één technische uitdaging van ET mag onderzoeken en oplossen (trillingsisolatie, spiegels, laser-controle, …), welke kies je en wat is je plan?
• Wat is interferometrie en waarom is het zo’n krachtige techniek voor het meten van zwaartekrachtgolven?
• Waarom is het vacuüm in de detector zo belangrijk, en hoe zou je dat kunnen uitleggen aan iemand van 10 jaar?
• ETpathfinder is een prototype. Waarom is het nuttig om zo’n “testversie” te bouwen, terwijl de echte detector pas later komt?
• Hoe ziet een gemiddelde dag van Elise eruit, en welke taken verwacht je dat ze het meest en het minst leuk vindt?
• Hoe verschilt het doen van onderzoek aan een universiteit van het werken in een high-tech bedrijf? Welke omgeving zou jou meer aanspreken?
• Wat zou jou motiveren om jarenlang aan één groot onderzoeksonderwerp te werken?
• Welke technologieën die nu voor ET ontwikkeld worden, zouden later in de maatschappij bruikbaar kunnen zijn (bijv. lasers, vacuümtechniek, trillingsisolatie)? Probeer aan concrete toepassingen te denken.
• Denk je dat fundamenteel onderzoek zoals ET voldoende economische of technologische meerwaarde heeft? Waarom wel/niet?
• Wat als je zelf een mini-interferometer mocht bouwen voor in de klas of thuis? Welke materialen zou je gebruiken?
• Wat als er onverwachte ruisbronnen opduiken die de metingen verstoren (bijv. door een nabijgelegen fabriek of metronetwerk)? Hoe los je dat op?
• Maak een overzicht van alle ruisbronnen die je kent, voor welke detectiefrequentie ze het meest relevant zijn, en de oplossingen die bestaan of worden onderzocht om ze te minimaliseren.