LIGO: Het Detecteren van Gravitatiegolven met Precisieoptica

Zicht op zwaartekracht: Hoe LIGO gravitatiegolven detecteert

De geschiedenis van de astronomie is verbonden met de vooruitgang van telescopen, die geleidelijk meer van het universum aan ons onthullen. Het begon met het primitieve telescoop van Galileo en andere pioniers, en gaat tot vandaag door.

We hebben verschillende van zulke nieuwe telescoopmegaprojecten behandeld, bijvoorbeeld:

• DKIST, de krachtigste zonnetelescoop ter wereld.
• The James Webb Space Telescope, gevestigd miljoenen mijlen van de aarde verwijderd.
• The Vera C. Rubin Observatory, een surveytelescoop die de hele hemel in één keer bekijkt.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), bestudeert de hemel in het radiospectrum.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), detecteert ongrijpbare neutrino's.

Er ontstaat een nieuw type astronomie, dat het bestudeert op een geheel nieuwe manier: in plaats van licht en golflengte van elektromagnetische golven, meet het gravitatiegolven.

Voorheen alleen theoretisch tot relatief recent, nu zijn gravitatiegolven een bewezen fenomeen. Een project zoekt manieren om ze te meten: de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Gravitatie meten met Gravitatiegolfastronomie

Gravitatie werd lange tijd beschouwd als “gewoon” een van de fundamentele krachten van het universum, zoals elektromagnetisme of de kracht die nucleaire krachten op atomair niveau aandrijft.

Maar rond de overgang van de 20^ste eeuw beschreef Einsteins relativiteitstheorie de zwaartekracht als de kromming van de ruimtetijd.

Zijn theorie beschreef niet alleen correct hoe zwaartekracht werkt voor zeer grote objecten zoals sterren, maar voorspelde ook veel ruimteverschijnselen die toen nog niet ontdekt waren, zoals neutronensterren en zwarte gaten.

Een andere voorspelling waren zwaartekrachtsgolven, die de ruimte doen uitrekken en samendrukken als golven die zich voortplanten op het oppervlak van een meer.

In tegenstelling tot een gewone lichtgolf of zelfs een oceaangolf van water, wordt een gravitatiegolf niet gedragen door deeltjes. In plaats daarvan treedt een gravitatiegolf op wanneer het weefsel van de ruimtetijd zelf golft of trilt. 

Een gebeurtenis zou waarschijnlijk massief genoeg moeten zijn om gravitatiegolven te genereren die sterk genoeg zijn om gemeten te worden, bijvoorbeeld de botsing van twee zwarte gaten met elkaar.

Hoe krachtig een dergelijk fenomeen ook is in absolute termen, de enorme afstand tussen de aarde en de bron, en de moeilijkheid om de ruimtetijd zelf te meten, betekenen dat een ultrasensitief instrument moet worden ontworpen om deze gebeurtenissen te detecteren.

Tegen de tijd dat de gravitatiegolven de aarde bereiken, miljoenen of miljarden lichtjaren verwijderd, zijn ze duizenden miljarden keer kleiner.

Daarom zou een instrument zo indrukwekkend als LIGO worden bedacht.

Voor de gravitatiegolven van LIGO's eerste detectie was de hoeveelheid ruimtetijdtrilling die ze genereerden 10.000 keer kleiner dan de kern van een atoom!

Hoe interferometers gravitatiegolven detecteren

Het eerste indirecte bewijs van gravitatiegolven werd verkregen door de studie van de baan van een binair pulsar. Het verlies van energie door orbitale verval kwam overeen met de voorspelde energie die verloren zou gaan bij de generatie van gravitatiegolven, wat de wetenschappers die deze ontdekking leidden de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1993 opleverde.

Bron: Nobel Prize

Directe meting vereiste een ander type bewijs, met behulp van een interferometer. Het basisidee van een interferometer is het gebruik van de interactie tussen lichtstralen. Als twee lichtgolven dezelfde golflengte hebben, overlappen ze en creëren ze een patroon van donkere en heldere vlekken.

Maar als iets deze golflengten verandert, kan de verstoring gemeten worden.

Omdat de uitzetting en samentrekking van de ruimtetijd door gravitatiegolven ook één van de armen van de interferometer meer uitzet of samentrekt dan de andere, creëert dit een detecteerbaar en meetbaar effect van gravitatiegolven.

LIGO – Een Nobelprijs-winnende prestatie

In de eenvoudigste vorm bestaat LIGO uit 2 lange armen, met licht dat erdoor wordt gestuurd, elk 4 km lang, of 2,5 mijl. De schaal van de arm helpt zelfs de kleinste variatie te detecteren, want hoe langer de armen, hoe kleiner de metingen die het kan doen.

Een laserstraal wordt door één arm van de interferometer gestuurd, die in tweeën wordt gesplitst. Beide stralen worden vervolgens teruggekaatst nadat ze een spiegel hebben geraakt.

Normaal gesproken zouden de twee laserstralen elkaar moeten opheffen.

Maar als één arm door een gravitatiegolf meer wordt ingekort of uitgerekt dan de andere, stopt de interferentie tussen de laserstralen, en wordt een lichtsignaal gedetecteerd.

Bron: Nobel Prize

In 2015 bevestigde de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) van de Amerikaanse National Science Foundation de detectie van de golven die werden gecreëerd door de botsing van zwarte gaten op 1,3 miljard lichtjaar van de aarde.

Dit baanbrekende werk leverde de fysici Rainer Weiss, Barry Barish en Kip Thorne de Nobelprijs voor natuurkunde in 2017 op.

LIGO bouwen

In principe is LIGO een relatief eenvoudig concept, dat gemakkelijk te begrijpen is zodra we het concept van gravitatiegolven hebben doorgrond en een minimaal begrip hebben van licht en lasers.

Het bouwen van een systeem dat precies genoeg is om een lengtesvariatie van 1/10.000^de van een atoom te detecteren, is een ander verhaal.

Twee vergelijkbare faciliteiten werden gebouwd, één in het noordwesten van de VS en één in Louisiana, gescheiden door ongeveer 3.000 km (1.860 mijl).

Bron: Nobel Prize

De dubbele faciliteit werkt als bevestiging, omdat hun grote afstand betekent dat een gravitatiegolf een zeven seconden “vertraging” tussen de twee zal hebben, terwijl hetzelfde signaal wordt gegenereerd.

Dus, terwijl één enkele detectie altijd als een mogelijke fout of lokale perturbatie kan worden beschouwd, is het exact dezelfde gebeurtenis die zich aan beide kanten van de VS voordoet op het precies voorspelde tijdsinterval bijna onmogelijk.

De dubbele faciliteiten bieden ook een onschatbaar voordeel: de mogelijkheid om het signaal te trianguleren. Dit stelt ons in staat om het gebied van de hemel waar het signaal vandaan kan komen te verkleinen, wat later wordt geïdentificeerd door “reguliere” astronomen die zullen bepalen welk sterobject verantwoordelijk kan zijn.

LIGO's zoektocht naar ongekende meetprecisie

De eerste technische hindernis is dat de golflengte en intensiteit van het laserlicht zo stabiel mogelijk moeten zijn. Zonder dit kunnen willekeurige fluctuaties worden aangezien voor een signaal van een gravitatiegolf.

Vervolgens moet de straal de zwevende spiegels nauwkeurig raken. Deze spiegels mogen nooit bewegen.

Ze mogen nauwelijks trillen, zelfs niet wanneer bladeren van nabijgelegen bomen vallen, een kind langsrent, of een vrachtwagen op een verre weg passeert. Tegelijkertijd moeten deze hangende spiegels vrij kunnen zwaaien met de passage van gravitatiegolven.

• De thermische beweging van atomen op het oppervlak van de spiegels
• Quantum-effecten in de laser.
• Seismische schokken.
• Elke luchtverontreiniging zou interfereren, waardoor het hele experiment in massieve vacuümbuizen moet worden uitgevoerd.

In theorie zouden armen langer dan 4 km nog preciezere metingen opleveren, maar in de praktijk is er een praktische limiet aan hoe groot een interferometer kan worden gebouwd.

Als gevolg hiervan bleek al snel dat, naast het voorbereidende werk, dit project veel meer budget en technische expertise vereiste dan een klein onderzoeksteam kon bieden.

Dus in 1994 transformeerde wetenschapper Barry Barish van CalTech de kleine onderzoeksgroep van ongeveer 40 personen in een grootschalige internationale samenwerking met meer dan duizend deelnemers, met een initiële financiering van $395 miljoen.

Het zou een totaal van $200 miljoen vereisen om de doorbraak van 2015 te bereiken, toen LIGO 10 keer krachtigere lasers, spiegels van 40 kilo, zeer geavanceerde ruisfiltering, en een van ’s werelds grootste vacuümsystemen kreeg.

Seismische stabilisatie

Aangezien de aarde nooit perfect stabiel is, zijn de spiegels van LIGO zonder seismische stabilisatoren ook niet stabiel.

Een eerste systeem van passieve trillingreductie werd op de spiegels geïnstalleerd: een complex pendulumsysteem dat trillingen absorbeert en voorkomt dat ze worden overgedragen op het volgende onderdeel.

Gecombineerd is deze structuur zo effectief in het verminderen van trillingen dat elke trilling aan de bovenkant van de ophanging 100 miljoen keer kleiner wordt tegen de tijd dat ze de testmassa bereiken.

Bron: LIGO

Zelfs dit was niet genoeg, dus werd het aangevuld met een actief stabilisatiesysteem. Seismometers rond elk observatorium detecteren een reeks grondbewegingen, waarna ze deze signalen naar een computer sturen die ze combineert en tegenbewegingen bepaalt.

Bron: LIGO

Het belang van een gebrek aan trillingen was een cruciale criterium bij het kiezen van een locatie om de interferometers te bouwen. Ze hadden niet alleen veel vrije ruimte nodig, maar ook geen menselijke activiteit die veel trillingen veroorzaakt, het equivalent van lichtvervuiling voor de detectie van gravitatiegolven.

Optica

Met elk een gewicht van 40 kg en hangend aan de onderkant van de ophangingen, bestaat de optica van LIGO uit ultrazuivere materialen die in lagen van nanometers dik worden aangebracht. Ze zijn gecoat met materialen die alle fotonen reflecteren behalve één van elke 5 miljoen die erop botsen!

Laser

De kern van het experiment, de lasers, moeten een zeer stabiele golflengte hebben om het interferentiepatroon consistent te houden, en alleen worden verstoord door gravitatiegolven.

Commerciële lasers zouden niet zo precies zijn geweest. Daarom werd de laser van LIGO speciaal ontwikkeld om een van de meest stabiele, zuivere lasers van dit type ooit uitgevonden te zijn.

Vacuum

Om elke interferentie van lucht of zwevende deeltjes te verminderen, worden de tests uitgevoerd onder ultrahoge vacuümcondities.

Het verwijdert ook het risico dat stof zich op de spiegels ophoopt, wat door de laser zou worden verbrand en de $2M spiegels zou vernietigen.

De atmosferische druk in de armen van LIGO is een biljoenste van die op zeeniveau, wat betekent dat er ongeveer slechts 10 miljoen moleculen per kubieke centimeter zijn.

LIGO-prestaties

Na de eerste ontdekking van botsende zwarte gaten in 2015 heeft het observatorium vele andere hoog-energie gebeurtenissen in het universum gemeten:

• Een andere zwarte-gatenfusie in 2016, elk van ongeveer 30 zonnmassa's, werd gevonden op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar, of bijna 1/10^de van de afstand van het gehele waarneembare universum.
• Een derde en vervolgens een vierde zwarte-gatenfusie in 2017.

Daarna werd LIGO gesloten voor verbetering tot 2019, voordat het werd onderbroken door de pandemie. Wetenschappers gebruikten de gelegenheid om verdere verbeteringen door te voeren en het netwerk uit te breiden met VIRGO, de Europese zusterfaciliteit buiten Pisa in Italië.

Toekomst van LIGO

Eerdere verbeteringen hebben LIGO ertoe gebracht om niet minder dan 79 detecties van gravitatiegolven te doen in recente jaren, waardoor een uitgebreide catalogus van gebeurtenissen met neutronensterren en zwarte gaten is ontstaan voor andere astronomen om nauwkeurig te identificeren en beter te begrijpen.

Een belangrijke toekomstige upgrade zal de vervanging van de huidige 40 kg spiegel door 100 kg spiegels zijn, samen met veel grotere ophangsystemen.

De extra gevoeligheid zou moeten helpen om meer informatie over zwaartekracht in het universum te vinden.

Een ander onderzoeksgebied is “burst gravitatiegolven”. Deze kortdurende golven van onbekende of onverwachte bronnen zijn alleen theoretisch en moeilijk te detecteren, dus de analisten die LIGO bedienen moeten openstaan voor wat wel of niet een geldig signaal is.

“We kunnen ook gravitatiegolven detecteren van systemen waar we eerder niets van wisten. Om naar dit soort gravitatiegolven te zoeken, kunnen we niet aannemen dat ze goed gedefinieerde eigenschappen hebben zoals die van de LIGO-wetenschappers eerder gemodelleerd hebben.

Dit betekent dat we onze analyses niet kunnen beperken tot het zoeken naar alleen de signaturen van gravitatiegolven die wetenschappers hebben voorspeld.”

Andere gravitatiegolfdetectoren

De volgende generatie interferometers wordt ook besproken, met name  Cosmic Explorer, een interferometer met 40 km lange armen, of de Einstein Telescope, een driehoekige detector met 10 km lange armen diep ondergronds.

Een ander project dat in de toekomst kan verschijnen is een enorm ruimtegebaseerde gravitatiegolfdetector: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Het wordt al ontworpen en getest door een door de European Space Agency geleide onderneming die drie ruimtevaartuigen in een driehoekige formatie zal laten opereren, met een afstand van 2,5 miljoen kilometer tussen elk satelliet.

Veeg om te scrollen →

Conclusie

LIGO is een zeer indrukwekkend project, omdat het van een experiment van de eerste soort is uitgegroeid tot het onmiddellijk bevestigen van het bestaan van gravitatiegolven.

Een project als LIGO kan op het eerste gezicht puur academisch lijken. Dit is zelden het geval, hoewel de directe toepassingen in eerste instantie moeilijk voor te stellen zijn.

Bijvoorbeeld, Einsteins relativiteitstheorie wordt tegenwoordig routinematig gebruikt om de posities van GPS-satellieten te kalibreren, een toepassing die in 1919 moeilijk voor te stellen was als een dagelijkse commerciële behoefte.

Evenzo drijft LIGO wetenschappers ertoe om steeds preciezere spiegels, stabilisatiesystemen en lasers uit te vinden, met engineering van wereldklasse.

Deze innovaties zullen waarschijnlijk vruchten afwerpen in elke technologie die deze apparaten gebruikt, inclusief geavanceerde computing of ruimtetechnologieën.

Investeren in geavanceerde optica

Corning Incorporated

Naarmate telescopen de mogelijkheden van precisieproductie van geavanceerd glas uitbreiden, opent dit ook vele industriële mogelijkheden in sectoren zo divers als de auto-industrie, halfgeleiders, AI, defensie, biotechnologie, gezondheidszorg, enz. De markt voor geavanceerde optica is een $310 miljard markt, die naar verwachting tot 2032 met 9,2% CAGR zal groeien.

Corning is een glas- en optica-bedrijf dat al 170 jaar bestaat. In haar geschiedenis produceerde het de eerste glazen lampen voor Thomas Edison’s elektrische licht, de eerste laagverlies optische vezel, de cellulaire substraten die katalysatoren mogelijk maken, en het eerste schokbestendige afdekglas voor mobiele apparaten.

Bron: Corning

Vandaag richt het bedrijf zich op de kerntechnologieën van glas- en keramiekproductie, en optische fysicatotechnologieën, die gemeenschappelijke productieprocessen en eindmarkten delen.

Bron: Corning

Deze onderlinge verbondenheid van technologieën stelt het bedrijf in staat om gemeenschappelijke productie-, onderzoeks- en engineeringcapaciteiten te delen tussen haar verschillende productlijnen. Met meer dan 52.000 werknemers, meer dan 77 productielocaties wereldwijd, en meer dan 10 R&D-faciliteiten, is het bedrijf een grote speler in haar niche.

Bron: Corning

Het bedrijf profiteert van de boom in AI en de bouw van datacenters (optische vezels), evenals de algehele consumptie van speciaal glas in schermen en biotechnologie.

Corning zou niet sterk door tarieven worden beïnvloed, aangezien 90% van de Amerikaanse inkomsten afkomstig is van producten met een Amerikaanse oorsprong. Zeer weinig van de verkopen in China kwamen voort uit Amerikaanse faciliteiten, met 80% van de Chinese verkopen die in China zijn gemaakt.

Tarief

en kunnen zelfs helpen, aangezien Corning de markt voor zonnepanelen betreedt, met de strategische controle over Hemlock Solar, om in de VS gemaakte panelen te produceren, aangezien Aziatische zonnepanelen (niet alleen Chinese) onderworpen worden aan viercijferige tarieven. 80% van de capaciteit is al veiliggesteld door klantengaranties.

Zonne-energie is zeer logisch voor het bedrijf, aangezien silicium een kernproductie-expertise van het bedrijf is, met 60 jaar productie van polysilicium, inclusief ultrazuiver silicium (99,9999999999% puur) en nu de productie van siliciumwafers lanceert, een product dat voor 100% in de VS wordt geïmporteerd.

Bron: Corning

Het bedrijf kijkt ook naar andere geavanceerde technologieën waar haar expertise in glas en keramiek een solide voorsprong kan bieden, waaronder buigbaar glas, AR, koolstofafvang, enz.

Bron: Corning

Over het geheel genomen is Corning een sterk technisch bedrijf, met gelokaliseerde productie die niet moet lijden onder deglobalisering. Het omarmt ook nieuwe markten die aansluiten bij haar kerncompetenties, met name zonne-energie en optische communicatie / AI-infrastructuur. Dit maakt het zowel een relatief conservatief bedrijf dat dieper in haar niche graaft, als een potentiële groeiaandeel in hightechmarkten.

Laatste Corning Inc. (GLW) Aandelennieuws en Ontwikkelingen