Achtergrond

Prototype Einstein Telescoop verrijst in Maastricht

Patrick Marx | dinsdag 10 september 2019
Energie, Onderzoek & R&D, Werktuigbouw

Wat nu nog een rommelige hal is van de voormalige redactie en drukkerij van Dagblad de Limburger is over een jaar een van de meest hightech laboratoria in de wereld. Hier integreren en testen onderzoekers technieken voor de toekomstige Einstein Telescoop voor zwaartekrachtsgolven. Hiervoor ontwikkelen ze een prototype genaamd ETPathfinder. Prototype en telescoop gaan preciezer werken dan de huidige techniek en de beperkingen van de kwantummechanica toe lijken te laten.

Voor het meten van zwaartekrachtgolven zijn onder andere spiegelgladde spiegels nodig. Stel je een spiegel voor gladder dan de meest perfecte spiegel ooit gemaakt en zoom in op het oppervlak. Zodra je op het niveau van atomen komt, is die perfectie opeens weg. Als gevolg van warmte trillen de atomen met willekeurige, Brownse bewegingen. ‘Als ik twee van deze spiegels tegenover elkaar in mijn kantoor hang en hun onderlinge afstand met lasers meet, dan haal ik een precisie tot 10-6 m. Voor de Einstein Telescoop moet dat een factor 1012 beter,’ zegt de kersverse hoogleraar zwaartekrachtstudies, Stefan Hild. De Duitse natuurkundige verruilde in augustus de Universiteit van Glasgow voor de Universiteit van Maastricht.

Hild en zijn collega’s jagen op zwaartekrachtsgolven. Deze golven ontstaan zodra extreem zware massa’s elkaar van zeer nabij beïnvloeden. Bijvoorbeeld als twee neutronensterren of zwarte gaten steeds dichter naar elkaar toe spiralen en uiteindelijk op elkaar botsen en samensmelten. Rimpelingen in de ruimtetijd die daarbij ontstaan, kunnen de aarde bereiken. Die zwaartekrachtsgolven zijn in staat om kilometerslange tunnels zo’n 10-18 meter op te rekken. Dit kleine getal verklaart waarom de techniek achter de ETPathfinder zo enorm precies moet zijn

Hild: ‘De huidige drie zwaartekrachttelescopen, twee in de VS en één in Italië, zijn gebouwd om te bewijzen dat zwaartekrachtsgolven bestaan en meetbaar zijn. Die taak hebben ze volbracht. Met de volgende generatie telescopen willen we beter observeren. De Einstein Telescoop die in Nederland of in Italië komt, moet zo’n 50 jaar lang observaties leveren. Daarbij willen we lage frequenties zwaartekrachtsgolven detecteren. We kijken nu naar zwaartekrachtgolven met frequenties van 20-2000 Hz. Golven met deze frequenties ontstaan pas 20 seconden voor de botsing van bijvoorbeeld neutronsterren. Als we bij 2-3 Hz kunnen meten, zien we de naar elkaar toe spiraliserende objecten al 24 uur voor de botsing. Tijd genoeg dus om het hele fenomeen langer en met meerdere soorten telescopen te observeren.’

Een zwaartekrachttelescoop bevat een Michelson interferometer die bestaat uit twee vacuüm buizen waardoor laserlicht reist. Aan het eind van elke buis weerkaatst het licht op een spiegel en reist vervolgens terug naar het begin. Daar valt het op een fotodetector. Als de stralen in beide buizen precies dezelfde afstand afleggen voordat ze in de detector vallen, doven ze elkaar uit. Als er onderweg een van de de buizen echter iets korter of langer wordt, verandert de reisafstand van het licht en doven de twee laserstralen elkaar niet meer uit. Een passerende zwaartekrachtsgolf vervormt de ruimtetijd waardoor de armen afwisselend korter en langer worden. Hierdoor ontstaat in de detector een geometrisch lichtpatroon. Uit dit interferentiepatroon is van alles over de zwaartekrachtsgolven af te leiden.

De huidige zwaartekrachttelescopen gebruiken spiegel- en lasertechnieken die het resultaat zijn van 40 jaar ontwikkeling. Hild: ‘Beide technieken voldoen echter niet voor de Einstein Telescoop en kunnen overboord. Om nauwkeuriger te meten, willen we de Brownse beweging van het spiegeloppervlak onderdrukken door de spiegels tot 10K te koelen. Bij die temperatuur voldoen spiegels van glas niet. We schakelen daarom over op puur silicium. Glas heeft een amorfe structuur waarbij atomen willekeurig door elkaar heen liggen. Silicium heeft een kristalstructuur met alle atomen strak in het gelid. Dit maakt de koude silicium spiegel beheersbaar.’

De koeling van de spiegels is de volgende uitdaging. Elke manier van actief koelen verstoort de spiegels. Daarom wordt warmte passief afgevoerd via dunne silicium draden waaraan de spiegel trillingsvrij hangt. Hild: ‘Als je vervolgens via een klein venster laserlicht op de spiegels straalt, dan komt er via dat venster ook straling uit de omgeving naar binnen waardoor het geheel weer opwarmt. Dit willen we oplossen met een isolatieschil die uit 6 lagen bestaat en zelfs de laserstraal omhult.’

Omdat silicium het gebruikelijke nabije infrarood laserlicht (1054 nm) absorbeert, zijn andere lasers nodig met midden infraroodlicht (1550-2100 nm). Deze lasers vergen een heel nieuwe technologie waaraan wetenschappers wereldwijd werken.

Naast warmte kunnen ook andere trillingen, bijvoorbeeld van een langsrijdende auto of (licht) een aardbeving de meting verstoren door de spiegels in beweging te brengen. Door koeling en trillingsdemping kunnen de onderzoekers veel stoorsignalen wegvangen. ‘Seismische trillingen veroorzaken echter ook verschillen in dichtheid van de omringende materie zoals de vloer. Vergelijk het met een watergolf. In de toppen van de golf zit meer massa dan in de dalen. In de toppen van een seismische golf zit ook meer massa en die trekt de spiegels aan. Dat is de reden waarom we de uiteindelijke Einstein Telescoop 200 m onder de grond bouwen. Daar hebben we geen last meer van oppervlakkige seismische trillingen,’ aldus de hoogleraar.

In Maastricht verrijst het ETPathfinder prototype in een 1000 m2 grote cleanroom. ETPathfinder bevat twee 20 m lange buizen met enkele 6 m hoge torens met daarin het koelmechanisme, de trillingvrije ophanging en de spiegels. ‘Hoewel dit een schaalmodel is van de echte telescoop, kunnen we hierin de vereiste precisie bereiken. In allerlei labs rond de wereld wordt aan de benodigde technieken gewerkt. In Maastricht zullen we ze integreren tot een werkend geheel.’

Op macroscopisch niveau lijkt alles in orde te komen. Op het veel kleinere kwantumniveau schuilen nog wat addertjes onder het gras. Hild bedenkt kwantum trucs om ze op te lossen. ‘Stel je gebruikt licht om een deeltje onder een microscoop zichtbaar te maken. Dan zullen de fotonen in het licht op het deeltje botsen en een deel van hun impulsmoment op het deeltje overdragen. Het licht beïnvloedt daarmee de positie van het deeltje waardoor je de positie niet met 100% zekerheid kunt vaststellen. Dit noemen we Heisenbergs onzekerheidsrelatie, een fenomeen dat zich vooral in de kwantumwereld afspeelt. Wij hebben er ook op macroniveau last van. We gebruiken laserlicht voor onze waarneming en dat licht heeft invloed op de positie van de spiegels.’

Hild bedacht hoe hij de invloed van Heisenbergs onzekerheidsrelatie kan verminderen. ‘We willen het door de spiegel gereflecteerde licht omleiden naar de andere kant om het daar nog eens op de spiegel te laten botsen. Dit heft een deel van de beweging door het laserlicht op.’

Nog dit jaar begint de bouw van de € 15-20 miljoen kostende ETPathfinder. ‘Daarmee verzekert Nederland zich voor lange tijd van een belangrijke rol in het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven,’ meent Hild. ‘We testen het prototype tot de daadwerkelijke bouw rond 2030. Maar zodra de Einstein Telescoop werkt, denken we alweer na over verbeteringen die we ook met ETPathfinder zullen testen. Zo kan onze faciliteit wel decennialang meegaan. Ik hoop dat ik nog tot mijn pensioen, over 27 jaar, in dit laboratorium vooruit kan.’

Welke spin-off slaagt?

Spin-offs van fundamenteel onderzoek zijn nooit te voorspellen. Nu al zijn er onverwachte toepassingen van de techniek rond de zwaartekrachttelescopen. Schotse wetenschappers gebruiken een Michelson interferometer voor de analyse van afbrokkelend zandsteen in monumenten. Verstoring van de zwaartekracht door een onderzeese aardbeving reizen met bijna de lichtsnelheid. Een zwaartekrachtgolftelescoop kan daarom mogelijk veel sneller waarschuwen voor een naderende tsunami. Hild: ‘En wellicht vinden we over enkele decennia delen van onze siliciumtechniek in de opvolgers van onze smartphones.’

Ontvang de nieuwsbrief, binnenkort 2 keer per week

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW