Patrick Marx
De centrale spil van de ontwikkeling van de toekomstige Einstein Telescoop – voor de detectie van zwaartekrachtgolven – staat in Maastricht. Bij de universiteit van deze stad verrijst een laboratorium voor ET Pathfinder, een prototype van de Einstein Telescoop. De bouw van het laboratorium nadert zijn voltooiing. Wat gaat er in het lab gebeuren?
‘We bouwen ons laboratorium in een oude drukkerij. De hal kreeg een nieuwe, van het ‘lawaaierige’ gebouw ontkoppelde betonvloer. In totaal 169 geboorde heipalen dragen de 1.000 ton wegende vloer. De cleanroom is nu in aanbouw. De vacuüm en cryogene systemen volgen daarna. Vanaf april starten we met het eerste experimentele werk’, zegt Stefan Hild, hoogleraar zwaartekrachtstudies van de Universiteit Maastricht en projectleider van het ET Pathfinder prototype van de Einstein Telescoop.
De Einstein Telescoop (in Limburg of Italië, dat politieke besluit valt in 2025) zal met ongekende precisie en gevoeligheid zwaartekrachtgolven meten. De detectie gebeurt met laserlicht dat tussen spiegels heen en weer kaatst. Op 200-300 m onder de grond komen drie 10 km lange tunnels die samen een driehoek vormen met in elke hoek een detector. Veel van de technologie voor de Einstein Telescoop is nog in ontwikkeling bij universiteiten en onderzoekscentra in de Euregio Maas-Rijn en daarbuiten. Uiteindelijk komen al deze onderdelen in Maastricht samen.
Heel eenvoudig uitgelegd, werkt een zwaartekrachtgolfdetector als volgt: een laserstraal wordt in tweeën gespitst. Elke straal reist door een tunnelbuis naar een spiegel die de straal terugkaats. Eenmaal teruggekeerd bij de oorsprong doven de twee lichtstralen elkaar uit, als gevolg van interferentie. Echter, als de reis die beide stralen afleggen niet precies even lang is – bijvoorbeeld doordat een zwaartekrachtgolf een tunnelbuis in de orde van grootte van 10-18 tot 10-21 m uitrekt – dan blijft het uitdoven uit en is er een lichtsignaal waarneembaar.
De extreem kleine lengteverschillen waarnaar de Einstein Telescoop zoekt, maakt extreem gladde spiegels nodig. Bij de universiteit van het Belgische Luik werkt hoogleraar Christophe Collette, hoofd van het precisie mechatronica laboratorium, aan de spiegels en hun ophangsysteem. ‘De spiegels worden van gecoat silicium gemaakt. De beste, bestaande exemplaren zijn klein en hebben een oppervlakteruwheid minder dan 0,1 nm. Voor de Einstein Telescoop is dit niet genoeg. We werken daarom aan een grotere spiegel, met een doorsnee van 45 cm, en een laserstraal met vergelijkbare diameter. Door zo’n brede straal te gebruiken, middelen we oneffenheden op nanometerniveau uit.’
Trillingen uit de omgeving laten de spiegels bewegen en dat is funest voor het meten van afstandsverschillen. De spiegels zullen dus extreem stil moeten hangen. De eerste stap is de keuze voor een 200-300 m diepe tunnel. Collette: ‘We zijn dan verlost van seismische trillingen aan het oppervlak maar, belangrijker nog, ook van Newtoniaanse ruis. Deze ruis ontstaat als grote massa’s bewegen. Denk aan de maan die eb- en vloed veroorzaakt en hetzelfde aantrekkende zwaartekrachtseffect op het aardoppervlak heeft. Een ander voorbeeld is de wind die een groot gebouw in beweging brengt. Die bewegende massa veroorzaakt weer trillingen die precies in de range liggen die we willen meten. Op 200-300 m diepte is er vrijwel geen Newtoniaanse ruis meer.’
Verder moeten ophanging in vacuüm, koeling tot 10 Kelvin (-263°C) en een grote massa van de spiegel (200 kg) zorgen voor de reductie van trillingen. In Luik werkt Collette aan de trillingsvrije ophanging van de spiegel. ‘We ontwerpen een combinatie van passieve en actieve ophanging. De passieve ophanging bestaat uit een reeks pendules waaraan de spiegel hangt. Elke pendule dempt trillingen steeds verder. Grote bewegingen aan één eind van de pendule leiden immers tot veel kleinere bewegingen aan het andere einde (denk aan een slingeruurwerk: een grote beweging aan de onderkant van de slinger leidt tot een kleine beweging bovenaan, in de klok, red.). Om de pendules niet te lang/hoog te maken, en de tunnel daarmee niet te duur, werken we ook met actieve ophanging waarbij een actuator trillingen meet en direct compenseert met een tegentrilling, net als active noise cancelling in hoofdtelefoons geluidstrillingen compenseert. Uiteindelijk zal de spiegel als het ware vrij in de ruimte zweven.’
Het onderzoek van Collette en zijn collega’s in Nederland, België en Duitsland leidt tot een eerste volledig werkend prototype spiegel. Het onderzoek is deel van het door de Europese Unie gefinancierde project E-TEST (Einstein Telescope Euregio Maas-Rijn Site & Technology) dat parallel aan ET Pathfinder aan de ontwikkeling van de telescoop werkt.
In tegenstelling tot andere grote natuurkundige experimenten, zoals bij CERN, produceert een zwaartekrachttelescoop relatief weinig data. De detector meet alleen veranderingen in de lengte van de tunnelbuizen. ‘Per seconde gaat het om enkele duizenden metingen van amplitude en tijd’, zegt Jacco de Vries, universitair docent fundamentele fysica aan de Universiteit Maastricht. De Vries onderzoekt onder meer de toepassing van nieuwe technologieën voor de data-analyse van grote fysica experimenten. ‘De uitdaging zit vooral in de rekenkracht die nodig is om een zwaartekrachtsignaal in de ruis te zoeken. De huidige detectoren in de VS en Italië zien gemiddeld één zwaartekrachtgolf per week. De detectoren meten die golf een paar seconden tot minuten. Vervolgens duurt de data-analyse enkele maanden per zwaartekrachtgolf. De Einstein Telescoop zal tientallen zwaartekrachtgolven per dag ontdekken en ze urenlang waarnemen waarbij de signalen van verschillende golven elkaar overlappen. We hebben dus echt iets nieuws nodig om die analyses mogelijk te maken.’
De Einstein Telescoop zoekt zijn heil voor de data-analyse in quantum computing. De Universiteit Maastricht sloot zich aan bij het IBM Q Network waarin IBM zoekt naar praktische toepassingen voor haar quantumcomputer. De Vries: ‘Op de tijdschaal van de Einstein Telescoop, 15 jaar tot de voltooiing, verwacht IBM een quantumcomputer te realiseren die voor de telescoop nuttige dingen kan doen. Samen zoeken we nu uit of een quantumcomputer inderdaad een oplossing voor onze data-analyse is. Zo proberen we algoritmen voor de quantumcomputer te schrijven.’
Inmiddels steunen de Nederlandse en Belgische overheid de Limburgse kandidatuur als locatie voor de Einstein Telescoop. Hild en zijn collega’s werken aan Duitse steun. ‘Intussen worden ook de Duitse wetenschappers wakker. Veertien Duitse universiteiten dragen bij aan de financiering. Het Max Planck Instituut doneert en bouwt een 1550 nm laser’, aldus Hild.
De Einstein Telescoop zal een mooie show case zijn voor de meest moderne, deels nog te ontwikkelen, technieken. Zo zullen quantumalgoritmen, nog betere spiegels en stabielere ophangingen ongetwijfeld ook elders in de wereld hun toepassing vinden.
Uitgebreide technische uitleg:
