Met vacuüm naar de Nobelprijs - Enorme vacuümbuizen helpen het bestaan van gravitatiegolven te bewijzen

Met vacuüm naar de Nobelprijs - Enorme vacuümbuizen helpen het bestaan van gravitatiegolven te bewijzen

Meer dan een eeuw geleden had Albert Einstein het bestaan van gravitatiegolven al voorspeld. Maar hun bestaan werd pas in 2015 echt bewezen. Vacuümbuizen met een lengte van 2 kilometer werden gebruikt als detectoren.
05.4_Gravitationswellen.jpg

Net zoals een steen die in het water wordt gegooid rimpels in het oppervlak veroorzaakt, strekken gravitatiegolven zich uit en comprimeren ze de ruimte. Dit rimpelen van ruimtetijd wordt veroorzaakt door kosmische rampen zoals exploderende sterren of botsende zwarte gaten. De gravitatiegolven verspreiden zich dan met de snelheid van het licht. Tenminste, dat was wat Albert Einstein in 1915 voorspelde toen hij zijn algemene relativiteitstheorie introduceerde.

Tot 2015 was het bestaan van deze mysterieuze golven echter puur theoretisch, omdat ze bijzonder moeilijk te meten zijn. Ze veranderen de ruimte in een oogwenk en slechts met een fractie van de diameter van een atoom. Een eeuw nadat ze waren voorspeld gaf de botsing van twee enorme zwarte gaten rechtstreeks bewijs van gravitatiegolven.

Kilometerslange meetapparaten

Deze golven hadden zich gedurende 2 miljard jaar verplaatst door de ruimtetijd voordat ze de vorm van ruimtetijd op aarde op 14 september 2015 vervormden. Twee identieke LIGO-detectoren (LIGO = Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) werden op 3000 km afstand van elkaar in de Verenigde Staten geplaatst en konden deze golven meten.

Deze detectoren bestaan elk uit twee buizen in een hoek van 90 graden. Eén daarvan is twee kilometer lang, de andere vier. Waar de twee kanten bij elkaar komen, wordt een laserstraal uitgezonden en in tweeën gedeeld door een straalsplitser. Vervolgens worden beide helften van de straal elk in een buis geleid. Speciale spiegels reflecteren het licht vaak heen en weer voordat het na een totale afstand van 1120 kilometer terugkeert naar de straalsplitser. Als een gravitatiegolf door de ruimte reist, strekt één arm van de interferometer zich uit, terwijl de andere wordt samengedrukt. Dit leidt tot een waarneembare wijziging in de intensiteit van de laserstraal.

Vacuüm en meetnauwkeurigheid

Om een storingsvrije werking van de meetapparaten te garanderen, staan de buizen onder een druk die gelijk is aan een biljoenste van de luchtdruk op zeeniveau. Om dit te doen worden de buizen aanvankelijk gedurende 30 dagen verwarmd. Vervolgens wordt de resterende lucht met krachtige vacuümpompen geëxtraheerd. Tot slot worden ionenpompen gebruikt om de resterende gasmoleculen te extraheren. In het resulterende ultrahoge vacuüm zitten geen luchtmoleculen die de laserstraal kunnen afbuigen of de spiegels kunnen laten trillen. Ook is er geen stof dat het licht zou kunnen verstrooien.

Na uitgebreide berekeningen konden de deelnemende wetenschappers in februari 2016 aankondigen dat ze in staat waren gravitatiegolven te meten en dat ze de theorie van Einstein konden bevestigen. Voor hun werk aan dit project ontvingen de pioniers Rainer Weiss, Barry C. Barish en Kip Thorne de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2017.


Vanaf de eerste meting in 2015 heeft gravitatieonderzoek verdere rimpels in ruimtetijd kunnen registreren. De laatste was op 14 augustus 2017. Deze werd ontdekt door Virgo, een detector met een vergelijkbare constructie in de buurt van Livorno in Italië, die sinds kort samenwerkt met LIGO. De bron was een stellaire botsing die op een afstand van ongeveer 1,8 miljard lichtjaren plaatsvond. De onderzoekers hopen toegang te krijgen tot nieuwe informatie over de geschiedenis en de fysica van het universum die voorheen ontoegankelijk was. Verder kunnen de detectoren mogelijk indicaties van donkere materie vinden, hoewel dit feitelijk niets te maken heeft met gravitatiegolven.

Tot nu is het bestaan van donkere materie slechts een theoretische stelling, net als het bestaan van gravitatiegolven tot voor kort was. Astrofysici verwijzen naar hun meetresultaten en berekeningen en concluderen dat melkwegstelsels uit elkaar zouden worden getrokken door de centrifugale kracht van hun rotatie als donkere materie niet zou bestaan. De massa hiervan zou vijf keer zo groot zijn als die van zichtbare materie.

Met de LIGO- en Virgo-detectoren kunnen astronomen niet alleen zwarte gaten lokaliseren, maar kunnen ze ook "horen" wat deze te zeggen hebben over de geboorte van melkwegstelsels. Eén theorie over donkere materie stelt namelijk dat het bestaat uit "primordiale" zwarte gaten die zijn ontstaan door de oerknal. Ook al vertegenwoordigt deze hypothese een minderheidsstandpunt onder fysici, gravitatiedetectoren kunnen gegevens leveren die de hypothese ofwel ondersteunen ofwel weerleggen, zodat de wetenschap zich kan richten op andere verklarende modellen.


Abonneer u op de "World of Vacuum"-nieuwsbrief!
Abonneer u nu en blijf up-to-date met het laatste fascinerende nieuws op het gebied van vacuüm.

ABONNEREN

Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op