Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem Sterrenwacht Phoenix Lochem
Sterrenwacht Phoenix Facebook Sterrenwacht Phoenix Twitter Sterrenwacht Phoenix Youtube
Publiekssterrenwacht Phoenix
Ampsenseweg 10
7241 NB Lochem
Tel: 06 25 109 573
Email: info@sterrenwachtphoenix.nl

Verslag college Zwaartekrachtgolven Boris Boom

"Speuren naar Zwaartekrachtsgolven"
B.A. Boom werkzaam bij Nikhef
Vr. 20-05-2016 Sterrenwacht Phoenix
Geschreven door Rik Romp

Boris Boom, onze gastspreker van deze avond heeft technische natuurkunde en later elektrotechniek gestudeerd aan de Universiteit Twente en werkt voor Nikhef in Amsterdam (een instituut dat ook verbonden is met CERN). Momenteel is hij bezig met een promotieonderzoek naar het goedkoper maken van seismische detectoren die nodig zijn voor de Gravitatiegolven detector van Virgo in Italië. Tijdens de lezing gaat Boris in op wat zwaartekracht nu eigenlijk is, hoe men hier sinds het verleden naar keek en wat zwaartekrachtsgolven zijn. Ook vertelt hij hoe de detectoren waarmee we ze kunnen waarnemen werken en dat dit onlangs dus ook gebeurd is. We hebben de botsing tussen twee zwarte gaten gezien, maar wat kunnen we daar nu uit afleiden? Wat gaat er in de toekomst nog meer gebeuren nu de zwaartekrachtsgolven daadwerkelijk aangetoond zijn? Zwaartekracht, wat is het? In 1687 bedacht Newton zijn zwaartekrachtstheorie waarbij hij er vanuit gaat dat de volgende 3 regels van toepassing zijn. Zwaartekracht is een kracht die massa's op elkaar uitoefenen, deze is instantaan en werkt langs de verbindingslijn tussen twee massa's. Hij gaat er vanuit dat de ruimte waarin dit allemaal plaatsvindt een vast gegeven is met 3 dimensies waar de tijd volledig los van staat. Belangrijk is ook dat de tijd in deze theorie en voor iedereen gelijk loopt. Dit is ook het beeld van de ruimte zoals we dat ons allemaal voorstellen. Een paar honderd jaar later kwam daar verandering in toen Albert Einstein een totaal andere voorstelling van de zwaartekracht gaf. Hij werd geïnspireerd door de wetten van Maxwell die had bedacht dat er om een magneet magnetische veldlijnen zitten. Dit zijn normaliter gesloten krommen, maar wanneer de magneten bewegen zijn ze soms onderbroken. Deze afhankelijkheid van de waarnemer stoorde Einstein en inspireerde hem een theorie te bedenken waar de natuurwetten voor iedere waarnemer gelijk zijn. Deze speciale relativiteitstheorie kwam er in 1905 en stelde dat de natuurwetten voor iedereen gelijk zijn en dat licht met dezelfde snelheid beweegt voor alle waarnemers (ongeacht hun eigen snelheid). Ruimte en tijd hebben wat met elkaar van doen, er is zelfs een nauwe relatie die we "ruimtetijd" noemen. Het gevolg is dat tijd niet voor iedereen hetzelfde is en per waarnemer kan verschillen. Een groot bezwaar van Einstein op de zwaartekrachtswet van Newton is dat deze instantaan zou zijn, want volgens Einstein zou niets sneller kunnen zijn dan de snelheid van licht, ook informatie niet. Dit maakt het beeld van zwaartekracht wat lastiger. Stel dat de zwaartekracht van een ster plotseling wordt weggenomen… Zal een planeet die daar omheen draait direct wegvliegen of gaat daar tijd overheen? En waarom kost dat dan tijd? Tien jaar later bedacht Einstein de Algemene relativiteitstheorie en deze geeft een model van de zwaartekracht. Einstein stelt namelijk dat de ruimte een 'elastisch' medium is. Materie in de ruimte veroorzaakt krommingen waarbij afstanden tussen stilstaande objecten kunnen veranderen. Zwaartekracht is een neveneffect van de kromming en we kunnen ons dat voorstellen als we even bedenken dat de 3 dimensionale ruimte een 2 dimensionaal laken zou zijn. Iets met massa, bijvoorbeeld onze Zon zorgt dan voor een kuil in dat laken. De Aarde is dan een knikker die z'n baantjes in de kuil maakt. Hieruit volgt dat de banen van de objecten in de ruimte eigenlijk recht zijn, maar de ruimte krom is. Deze theorie werd in eerste instantie met veel ongeloof ontvangen, maar 10 november 1919 stond er een artikel in de New York Times dat Einsteins theorie bevestigde. Tijdens een zonsverduistering werd namelijk vastgesteld dat de positie van een ster die voor de waarnemers vlak bij de zon stond was verschoven. Dit kon alleen verklaard worden doordat het licht van die ster door onze Zon was afgebogen. Ook licht, wat eigenlijk in een rechte lijn beweegt, bleek door de kromming in de tijdruimte te zijn afgebogen. Vele decennia later volgde er nog een bevestiging voor Einsteins theorie. Tegenwoordig maken we allemaal gebruik van navigatie in onze auto's of zelfs op de fiets of wandelend. Dit wordt mogelijk gemaakt door GPS satellieten die rond de Aarde draaien. Deze satellieten hebben allemaal een nauwkeurige klok die nodig is om je positie op Aarde te kunnen bepalen. Maar doordat ze met hoge snelheid om de Aarde heen vliegen 'ervaren' ze de tijd anders dan dat deze hier beneden loopt. Zonder 'relativiteitscorrectie' zouden we allemaal nog steeds met een papieren kaart onze weg moeten vinden… Zwaartekrachtsgolven Maar hoe zit het nu dan met die zwaartekrachtsgolven? Met het model van Einstein hebben we een ander beeld gekregen van de zwaartekracht, ruimte en tijd. Zwaartekrachtsgolven zijn dynamische effecten van de ruimtetijd, ze worden dus veroorzaakt wanneer massa's versneld worden. Massa die door de ruimte beweegt, kromt de ruimte steeds op een net andere plek. Deze veranderingen in kromming verplaatsen zich als golven door de ruimte. Wanneer onze Aarde z'n baantjes om de zon draait, zendt hij dus zwaartekrachtsgolven uit. Deze golven zijn heel zwak, omdat de massa en de snelheid van de aarde relatief klein zijn. Voor golven die sterk genoeg zijn om te detecteren moeten we op zoek naar zwaardere objecten, die veel sneller om elkaar heen draaien. Een voorbeeld van dit soort systemen is een paar van twee zwarte gaten. Zwarte gaten zijn vele malen zwaarder dan de zon, maar zijn zo compact dat ze toch tientalen keren per seconde om elkaar heen kunnen draaien. De zwaartekrachtsgolven die door dit soort systemen worden uitgezonden zijn extreem krachtig, maar wanneer ze na miljarden jaren reizen door het heelal op aarde aankomen, zijn ze nog maar net sterk genoeg om te kunnen worden waargenomen. Detectoren Hoe kunnen we deze golven waarnemen? Het verdichten en expanderen van de ruimtetijd kun je niet met een liniaal meten. De liniaal wordt namelijk zelf ook langer en korter, voor licht geldt dit echter niet en vandaar dat de zwaartekrachtsgolven met een interferometer te detecteren zou moeten zijn. De interferometer werkt als volgt.. Een laser vuurt een lichtstraal af op een 'beamsplitter'. Hierbij gaat de helft van het licht rechtdoor en de andere helft wordt onder 90° weerkaatst. Vervolgens gaan beide stralen door hun eigen lange tunnel waar ze aan het eind op een spiegel botsen en teruggekaatst worden om uiteindelijk via dezelfde beamsplitter op een detector (photodiode) terecht te komen. Aangezien licht een golfverschijnsel is kunnen de twee lichtstralen elkaar uitdoven als deze in tegenfase treffen tussen de beamsplitter en de detector. Als er nu een zwaartekrachtsgolf passeert dan zal er over één as een contractie van ruimtetijd plaatsvinden en over de andere een expansie. Hierdoor komen de beide lichtstralen niet meer in tegenfase op de detector aan en zal er dus een signaal gemeten worden. Het probleem is dat de detector een onvoorstelbare nauwkeurigheid moet hebben om de zwaartekrachtsgolven te kunnen detecteren. De eindspiegels bewegen namelijk maar met één duizendste van de diameter van een proton! In feite meet de detector een haardikte verschil op de afstand tot de dichtstbijzijnde ster (na de Zon). Dit betekent dat er dus wat meer bij komt kijken om het principe van de interferometer te laten werken. Zoals bij elk meetinstrument, maar bij de zwaartekrachtsgolfdetector in het bijzonder, zit de uitdaging hem in het herkennen en onderdrukken van ruis die de meeting verstoort. De detector detecteert trillingen van 10Hz tot 10.000Hz. In dit frequentiebereik gebeurt er natuurlijk ook van alles op aarde wat geen zwaartekrachtsgolf is. Een voorbijrijdende trekker of een aardbeving kunnen dus vals alarm geven. Om dit voorkomen zijn de 40kg zware spiegels van de detector geplaatst in een ingenieus systeem van slingers, antislingers en antiveren. De gehele detector inclusief twee 3 kilometer lange buizen van Virgo zitten in een hoog vacuüm zodat er geen akoestische koppeling kan plaatsvinden. Wereldwijd zijn er meerdere zwaartekrachtsdetectoren al actief of in aanbouw. LIGO in de Verenigde Staten is al operationeel net als de kleine GEO600 in Duitsland. VIRGO zal dienst doen in Italië en het is deze detector waarin Nikhef ook een aandeel heeft. KAGRA wordt gebouwd in een berg in Japan en in de toekomst zal ook LIGO India het lijstje uitbreiden.



HUIDIGE MAANFASE


TWITTER
test