Observatoria

Het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)

Artist impression van twee botsende neutronensterren
Artistieke impressie van twee botsende neutronensterren. Credit: NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet.

Het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory bestaat uit een paar grote onderzoeksfaciliteiten in de Verenigde Staten die zich toeleggen op het detecteren gravitatiegolven, dit zijn rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd. Dergelijke signalen zijn afkomstig van massieve objecten in het heelal zoals zwarte gaten en neutronensterren. Ze bieden astronomen een geheel nieuw venster om kosmische verschijnselen waar te nemen.

De onderliggende mechanismes van LIGO zijn gebaseerd op het werk van de beroemde natuurkundige Albert Einstein. Hij voorspelde meer dan een eeuw geleden in zijn relativiteitstheorie het bestaan van zwaartekrachtsgolven, analoog aan elektromagnetische golven. Einstein geloofde overigens dat dergelijke golven veel te zwak waren om ooit te kunnen detecteren.

Hoe LIGO zwaartekrachtgolven detecteerde

Vanaf de jaren zestig en zeventig bouwden onderzoekers met behulp van vrijhangende spiegels die een laser ertussen weerkaatsten prototypes van zwaartekrachtgolfdetectoren. Als een zwaartekrachtsgolf door het apparaat zou gaan dan zou de ruimtetijd heen en weer bewegen en er voor zorgen dat de spiegels een heel klein beetje bewegen,. Dit apparaat, bekend als een interferometer, is nog steeds de basiseenheid in de huidige zwaartekrachtgolfdetectoren.

Hoewel die vroegere modellen niet de gevoeligheid hadden die nodig was om een zwaartekrachtgolfsignaal op te vangen ging de vooruitgang tientallen jaren door en in 1990 keurde de National Science Foundation (NSF) van de Verenigde Staten de bouw van twee LIGO-detectoren goed. Eentje werd geplaats in Hanford in de staat Washington en de andere werd in Livingston in Louisiana geplaatst.

In 1999 werd de bouw van de beide detectoren afgerond en kon een paar jaar later de zoektocht naar zwaartekrachtgolven beginnen. Meer dan een decennium lang detecteerden ze niks maar in die tijd leerden wetenschappers wel hoe ze met de uiterst gevoelige apparatuur om moesten gaan en alle dingen die mis kunnen gaan. Zo had men o.a. te maken met raven die in de leidingen pikten die naar de detectoren toe gaan.

Afbelding LIGO
Afbeelding van de LIGO-detector. credit: ligo.org

Met het oog op een grotere gevoeligheid werd LIGO tussen 2010 en 2014 volledig opnieuw ontworpen. Dit harde werk heeft zijn vruchten afgeworpen. Binnen enkele dagen nadat in 2015 de instrumenten werden ingeschakeld begon het observatorium de eerste signalen van zwaartekrachtgolven op te vangen.

Dit historische signaal werd maandenlang stil gehouden. Wetenschappers gebruikten die tijd om de details ervan te leren begrijpen. Op 11 februari 2016 werd de ontdekking openbaar gemaakt. Toen kondigden natuurkundigen aan dat ze de botsing van twee zwarte gaten met massa’s van 29 respectievelijk 36 zonsmassa hadden waargenomen. Die botsing zou bijna 1,3 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden.

De resultaten werden door de wetenschappelijke gemeenschap met vreugde begroet en ze kregen veel aandacht in de media. De waarneming bevestigde niet alleen de oude voorspelling van Einstein maar ze bood onderzoekers ook een geheel nieuwe manier om het heelal te bestuderen. Een jaar later deelden de astrofysici Kip Thorn en Barry Barish van de universiteit van Californië en Rainer Weiss van het Massachusetts Institute for Technology de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun baanbrekende werk op het gebied van de detectie van zwaartekrachtgolven.

Op dit moment bestaat LIGO uit twee in de Verenigde Staten gevestigde detectoren en een derde detector die in 2017 nabij Pisa in Italië in gebruik werd genomen. Deze laatste detector, VIRGO, wordt door een Europese onderzoeksgroep gerund. Iedere detector bestaat uit een L-vormige vacuümkamer met poten van 4 kilometer lang die een interferometer herbergen. De lasers van de detectoren kunnen bewegingen tussen hun spiegels onderscheiden met een ongelooflijke nauwkeurigheid van 1/10.000ste van de breedte van een proton.

De drie faciliteiten werken samen en helpen elkaar om ieder signaal dat een faciliteit oppikt te bevestigen zodat men zeker weet dat het om een zwaartekrachtgolf gaat en geen willekeurige ruis. Onderzoekers hebben rond de zwaartekrachtgolfdetectoren een aantal van de stilste plekken ter wereld gemaakt door verkeer in de buurt te vertragen, elke trilling in de grond te monitoren en zelfs detectieapparatuur wordt opgehangen aan een slingersysteem om zo trillingen te minimaliseren.

Andere successen van LIGO

Enkele van de meest spectaculaire resultaten van LIGO en VIRGO zijn onder meer de eerste detectie van twee botsende neutronensterren. Deze ontdekking, aangekondigd in 2017, ging gepaard met waarnemingen van dezelfde gebeurtenis met behulp van radio-, infrarood-, optische, gammastraling- en röntgentelescopen. Op deze manier konden wetenschappers informatie uit meerdere kanalen halen, een streven dat bekend staat als multi-messenger astrofysica. De gegevens hielpen bewijzen dat dergelijke botsingen de bron zijn van veel van het goud, platina en andere zware elementen in het heelal.

De VIRGO-detector nabij Pisa in Italië
Door The Virgo collaboration – The Virgo collaboration, CC0, Koppeling

In januari 2020 detecteerde LIGO een tweede botsing van neutronensterren waarbij objecten waren betrokken met een gecombineerde massa van 3,4 zonsmassa. Zulke zware neutronensterren zijn nog nooit eerder in telescopen gezien en ze verleggen de limiet van wat theoretisch mogelijk zou moeten zijn voor dergelijke objecten.  Wetenschappers krabben zich nu op hun hoofd over hoe die sterren konden zijn ontstaan.

Later dat jaar kondigden astronomen aan dat LIGO en VIRGO het signaal hadden gedetecteerd van twee samensmeltende kolossale zwarte gaten. De objecten, met een massa van 66 respectievelijk 85 zonsmassa vormde een enkel zwart gat met een totale massa van 142 zonsmassa. Dit was het eerste ondubbelzinnige bewijs voor wat bekend staat als zwarte gaten van gemiddelde grootte. Dit zijn zwarte gaten met een massa van 50 tot 100.000 zonsmassa. Astronomen wisten dat dergelijke zwarte gaten moesten bestaan maar ze waren nooit eerder waargenomen.

In 2020 kregen LIGO en VIRGO gezelschap van de Japanse Kamioka Gravitational Wave Detector (KARGA). Helaas werden de detectoren vanwege de COVID-19 crisis allemaal gesloten. Midden jaren ’20 zal vermoedelijk een Indiase detector aan het netwerk worden toegevoegd. Met deze extra detectoren en de upgrade van de huidige detectoren zullen astrofysici zwaartekrachtgolven die zich op een grotere afstand bevinden en die een grotere frequentie hebben kunnen waarnemen waardoor er in de toekomst nog veel meer ontdekkingen kunnen worden gedaan.

Eerste publicatie: 29 januari 2021
Bron: space.com