EO

Botsende zwarte gaten spotten met Heisenbergs onzekerheid

16 april 2019 om 10:09 uur

Werner Heisenberg, een van de pioniers van de kwantumtheorie in de jaren ’20 van de vorige eeuw zou er vermoedelijk versteld van staan. Uitgerekend het legendarische onzekerheidsprincipe dat hij ooit formuleerde, wordt nu gebruikt om metingen van zwaartekrachtsgolfdetectoren als Ligo en Virgo nog nauwkeuriger te maken.


Virgo en Ligo zijn laserinterferometers, waarmee in twee haakse armen de afstand tussen spiegels op kilometers van elkaar te meten is tot op minder dan een protondiameter. Zwaartekrachtsgolven zijn een kenmerk van Einsteins relativiteitstheorie, die ruimte en tijd als een vervormbaar materiaal opvat. Zulke golven laten de ruimte zelf afwisselend opzwellen en inkrimpen, waardoor afstanden iets variëren, ook op aarde.


In 2015 werd na decennia speuren eindelijk de eerste zwaartekrachtsgolf waargenomen, die kon worden toegeschreven aan de botsing van twee zwarte gaten in het heelal. Sindsdien zijn er bijna een dozijn ruimtetijdtrillingen waargenomen met de twee detectoren van Ligo en de Virgo-detector in Italië.
Begin april begonnen de drie detectoren bij Pisa, in Louisiana en Washington State samen aan nieuwe metingen met een aanzienlijk verbeterde gevoeligheid, waardoor ze ook relatief lichte botsingen zullen gaan zien.


De bedoeling is een jaarlang door te meten, en de hoop is enkele keren per maand een trilling op te vangen. De detectoren zijn tot 40% gevoeliger dan voorheen, vooral voor trillingen met een hoge frequentie. Die ontstaat in theorie als relatief lichte zwarte gaten zo groot als de maan vlak voor hun botsing tot 500 keer per seconde om elkaar heen draaien.


Tot voor kort was het lastig om zulke hoogfrequente trillingen goed waar te nemen, omdat de lasersystemen in datzelfde gebied ruis natuurlijke veroorzaken. Uitgerekend daar kan slim gebruik van de onzekerheidsrelatie van Heisenberg verbetering geven, zegt Mattheo Tacca van Nikhef. Hij is nauw betrokken bij de nieuwe ruisonderdrukkende technieken in Virgo.

 

Het principe van Heisenberg

Het principe van Heisenberg zegt dat sommige samenhangende grootheden niet tegelijk met oneindige precisie zijn te meten. Zo zijn de plaats en de snelheid van een deeltje nooit tegelijk precies vast te stellen; als de ene meting exacter wordt, zal de andere minder precies worden.


Voor de golven van het laserlicht in de kilometers lange armen van de Ligo en Virgodetectoren geldt op dezelfde manier dat hun amplitude (intensiteit) en fase (timing) niet tegelijk te meten zijn. Als de ene eigenschap scherper wordt gedefinieerd, wordt de andere minder scherp.

 

Squeezing

Het afgelopen jaar is in de detectoren een techniek geïntroduceerd die squeezing wordt genoemd. Daarbij wordt de natuurlijke variatie in de fase (timing) van de lasergolf onderdrukt. Dat gaat weliswaar ten kost van de amplitude (sterkte), maar die doet er voor de detectie van een passerende zwaartekrachtsgolf niet zo toe. Die detectie vindt plaats doordat lasergolven elkaar al dan niet even uitdoven; daarvoor is bij hoge frequenties vooral de timing relevant, en niet de exacte sterkte.

 

Onzekerheid voor lief

Tacca: "De kunst is om de relevante grootheden optimaal te meten en de onzekerheid in de rest voor lief te nemen." Hij bouwde mee aan de gecompliceerde optische opstellingen waarmee squeezing in Virgo wordt gerealiseerd. De techniek werd ooit door een Duitse groep ontwikkeld en getest in de eerste grote zwaartekrachtsgolfdetector van Europa, bij Hamburg. Die was met 600 meter lange armen nog wel te ongevoelig om echte gravitatiegolven te meten. Ligo en Virgo kunnen dat wel en benutten nu dezelfde kwantum-truc.


En die zal nog verder worden geperfectioneerd, zegt Tacca. Vorig jaar ontving Nikhef van wetenschapsfinancier NWO ruim 3,5 miljoen euro voor het bouwen van een extra ruisonderdrukkend lasersysteem op de Virgo-detector in Pisa. Ook daarin wordt per frequentie andere quantum squeezing toegepast, waardoor de gevoeligheid voor alle signalen wordt verbeterd. Tacca verwacht er nog eens een factor twee of meer gevoeligheid van in Virgo.


Tacca heeft de bouwtekeningen voor de extra installaties aan de muur van zijn kantoor hangen en de belangrijkste componenten staan inmiddels in de magazijnen van Nikhef in Amsterdam. Binnenkort wordt aan de daadwerkelijke assemblage en de tests begonnen van het apparaat, dat uiteindelijk een extra buis van 300 meter lang wordt die in Pisa parallel aan een van de meetarmen zal worden ingebouwd. "De apparatuur moet getest zijn en klaar om in te passen, om zo min mogelijk kostbare meettijd te verliezen", zegt Tacca.

 

Gerelateerd nieuws

Minder R&D-financiering door NL overheid en meer door Europa

Minder R&D-financiering door NL overheid en meer door Europa

Als Nederland zo doorgaat, raakt het verder achterop bij de ambitie om 2,5% van het bruto binnenlands product te besteden aan R&D. Dat stelt het Rathenau Instituut op basis van eigen onderzoek. ‘De directe…

Grootste kraan ter wereld voor hefplatform Voltaire

Grootste kraan ter wereld voor hefplatform Voltaire

Huisman heeft een order ontvangen voor het design, de engineering, de bouw en levering van de hoofdkraan op het nieuwste wind- turbineinstallatieschip van Jan De Nul, de Voltaire. De kraan heeft de capaciteit om de…

Kas zonder gas

Kas zonder gas

Tuinbouw onder glas verbruikt veel fossiele energie. Met de spiksplinternieuwe kas All Electric in Bleiswijk wil de Wageningse universiteit (WUR) laten zien dat het ook anders kan.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
MGBS de slanke versie binnen de MGB serie

Ter aanvulling op de MGB serie heeft EUCHNER de MGBS uitgebracht, die uitkomst biedt op plaatsen met weinig ruimte en op...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Tosec
Tosec

Specialist in plaatbewerking

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

23 april 2019, Vianen

Masterclass Machineveiligheid ( 4-dagen)

23,24,30 april en 1mei 2019

6 mei 2019, Leuven

Vezelversterkte kunststof composieten

In deze cursus krijg je handvatten voor het toepassen van kunststof composiet materialen in je eigen werk...

Meer agendapunten »