2024-03 MIRA Ceti sprak met... Freija Beirnaert

 

*** Trefwoorden: Ghent Gravity Group – Gravitatiegolven – Einstein Telescope ***

 

Het woord ‘historisch’ wordt soms nogal eens lichtzinnig gebruikt om één of ander gebeuren van de nodige gewichtigheid te voorzien. Maar toen wetenschappers op 14 september 2015 voor het eerst in de geschiedenis een directe waarneming deden van gravitatie- of zwaartekrachtsgolven dankzij het tweeledige LIGO-observatorium was er wel degelijk sprake van een historisch moment: het bestaan van de door Albert Einstein reeds in 1915 voorspelde rimpelingen van de ruimtetijd was honderd jaar later eindelijk bewezen. Deze waarneming opende meteen ook een heel nieuwe onderzoekdomein in het sterrenkundig, kosmologisch en natuurkundig onderzoek.

Om meer te weten te komen over dit onderzoek trok MIRA Ceti naar de Arteveldestad, daar is aan de universiteit een team jonge onderzoekers actief onder de veelzeggende naam: Ghent Gravity Group.

We spraken er met PhD-studente Freija Beirnaert (°1998) over hoe je gravitatiegolven kan detecteren, over detectoren, over de toekomstige Einstein-telescoop en over hoe je als wetenschapper geduldig mee bouwt aan het grote verhaal van de natuurkunde.

 

 

Copyright afbeelding: Volkssterrenwacht MIRA

 

Dag Freija, fijn dat ik jou hier mag bezoeken op de site van de Ghent Gravity Group. Kan je even schetsen hoe jij in deze onderzoeksgroep bent terechtgekomen?

In het middelbaar bleek ik wel een aanleg te hebben voor exacte wetenschappen. En zo was het best logisch dat ik na mijn humaniora fysica wou gaan studeren aan de universiteit. Het fijne aan de UGent is dat je daar reeds vanaf je bachelor naast fysica ook sterrenkunde krijgt, wat niet aan alle universiteiten het geval is. Bij ons in Gent was die combinatie van fysica en sterrenkunde in de bachelor voor mij persoonlijk een ideale voorbereiding om een weloverwogen keuze te kunnen maken voor mijn masteropleiding.

Uiteraard bleek de fysica aan de universiteit een heel stuk minder intuïtief en veel complexer te zijn dan voordien. Daarnaast kom je er tussen allemaal intelligente studenten terecht waardoor je ineens niet meer zo bijzonder bent, en er moet hard gewerkt worden om resultaten te halen. Mijn prestaties waren goed genoeg om een PhD te mogen beginnen.

Tijdens mijn master lag de focus op deeltjesfysica, en via de Experimental Particle Physics Group ben ik in contact gekomen met Prof. Dr. Archisman Ghosh, een nieuwe prof aan de UGent aan het hoofd van de Ghent Gravity Group. Hij was destijds zijn kersverse groep aan het uitbouwen, en ik mocht na mijn master gelijk bij hem aan de slag voor mijn PhD. Dat was trouwens niet vanzelfsprekend. Het is natuurlijk nog een heel recent onderzoeksdomein, en op masterniveau komt dit onderzoek momenteel slechts heel sporadisch aan bod, waardoor ik initieel een geringe achtergrond in het veld had. Op het vlak van gravitatiegolven is er al pionierswerk verricht, maar er moet nog heel veel gebeuren, en dat vind ik enorm spannend en ongemeen boeiend.

 

In 1915 publiceerde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie, dat was het prille begin.

Dat klopt, op basis van die theorie voorspelde Einstein dat zijn revolutionaire visie op zwaartekracht impliceerde dat rimpelingen in de ruimtetijd ten gevolge van de bewegingen van massieve objecten zich als golven voortplanten aan de lichtsnelheid, weg van de bron. Maar op het moment dat hij ze voorspelde voegde hij er meteen aan toe: gravitatiegolven zullen we nooit kunnen waarnemen omdat ze veel te subtiel zijn. Wanneer die signalen uit heel heftige gebeurtenissen zoals het versmelten van zwarte gaten bij ons toekomen zijn die nog amper meetbaar. De uitwijking van zo’n trilling is kleiner dan de grootte van een proton, en dat gaan we nooit zien.

Maar toch zijn er pogingen ondernomen om gravitatiegolven te detecteren. Misschien heb je al gehoord over de Weber Bars, een soort gravitatiegolfdetector, bestaande uit een aantal aluminium cilinders, bedacht door de Amerikaanse fysicus Joseph Weber? Hij zelf beweerde wel degelijk gravitatiegolven gedetecteerd te hebben, maar het hele project was heel omstreden en uiteindelijk niet overtuigend.

Het eerste echte indirecte bewijs van het bestaan van gravitatiegolven dateert uit het jaar 1974. Door gebruik te maken van de Arecibo radiotelescoop in Puerto Rico ontdekten de Amerikaanse astronomen Hulse en Taylor twee neutronensterren die rond mekaar draaien. Dat systeem, bekend als de Hulse-Taylor binaire pulsar, kon door het regelmatige pulseren gebruikt worden als een heel nauwkeurige klok. In de daarop volgende jaren bleek de omwentelingsperiode van dit systeem geleidelijk af te nemen, wat een gevolg is van het verlies van draaimoment door het uitzenden van gravitatiegolven. Helemaal in overeenstemming met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. En dit heel mooie indirect bewijs van het bestaan van gravitatiegolven leverde Hulse en Taylor in 1993 de Nobelprijs natuurkunde op.

Aangespoord door dit succes ging men op zoek naar andere methoden om die subtiele vervormingen van de ruimtetijd toch te kunnen waarnemen, en zo kwam men uit bij Michelson interferometers die gebruik maken van lasers. Bij deze opstellingen wordt de afstand tussen verschillende spiegels als testmassa’s nauwkeurig gemeten met laserlicht. Wanneer er een gravitatiegolf passeert, veranderen deze afstanden, en deze verandering is richtingsafhankelijk. Dat uit zich in een interferentiepatroon wanneer het licht uit verschillende lichtbundels wordt samengebracht.

 

 

De groene lijn stelt de laserlichtsplitser voor die ervoor zorgt dat het laserlicht naar twee spiegels wordt verstuurd.

In figuur 1 wordt het licht onverstoord weerkaatst en komen alle golven gelijktijdig toe op de splitser en terug samengevoegd tot één enkele golf laserlicht.

In figuur 2 passeert er een gravitatiegolf (geel) langs de arm onderaan en die verstoort het golfpatroon.

Copyright afbeelding: Creative Commons via Wikipedia

 

Eind de jaren 1970 werden de eerste prototypes ontwikkeld, en in de daarop volgende decennia werden steeds verfijnder opstellingen geconstrueerd. En in het midden van de jaren 1990 werd dan begonnen met de bouw van LIGO in de Verenigde Staten en van Virgo in Europa, in Italië. LIGO staat trouwens voor Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. De naam Virgo verwijst naar de beroemde cluster van meer dan duizend sterrenstelsels in het sterrenbeeld Virgo op een goeie vijftig miljoen lichtjaar van bij ons. Bij LIGO hebben we te maken met een dubbele interferometer, waarbij er een gravitatiegolfdetector staat op de Hanford-site in het noordwesten van de Verenigde Staten in de staat Washington en een zelfde exemplaar in Livingston in het zuiden van de Verenigde Staten in Louisiana. Het bestaan van meerdere detectoren laat toe om echte signalen ten gevolge van gravitatiegolven te kunnen onderscheiden van valse signalen ten gevolge van glitches. Een signaal met astrofysische oorsprong zou zich immers in alle detectoren moeten manifesteren.

 

En in september 2015…

Ja, zonder meer een mijlpaal. Eens de reusachtige LIGO-interferometers met vier kilometer lange armen gebouwd en op punt gesteld waren, kon men aan de ‘observing runs’ beginnen. En al in de testfase, de ‘engineering run’, kwam er ineens een event tevoorschijn. Aanvankelijk was er de nodige scepsis en vroegen de betrokken onderzoekers zich af of het wel om een echt event ging. Misschien had men een fake signaal gesimuleerd om te controleren of het LIGO-team in staat is om echte van vermeende gravitatiegolven te onderscheiden? Maar na alles grondig gecheckt en gedubbelcheckt te hebben bleek het wel degelijk om een echt event te gaan. Waarvoor twee jaar later een Nobelprijs volgde.

Vanaf dat moment is alles in een stroomversnelling terecht gekomen. Elke observing run heeft een nieuw soort event opgeleverd, en tussen de runs in was er tijd voor commissioning brakes om de detectoren verder de ontwikkelen, hun sensitiviteit te verhogen en hun waarnemingsbereik uit te breiden.

De eerste Observation run O1 liep van 12 september 2015 tot 19 januari 2016 en was dus goed voor de allereerste rechtstreekse detectie ooit van gravitatiegolven, de intussen beroemde GW150914. GW verwijst naar Gravitational Wave, en vervolgens de datum van detectie: 14-09-2015. Amper twee dagen na de opstart had men al meteen prijs… Tijdens die eerste Observation run werden er nog twee andere waarnemingen van gravitatiegolven gedaan, en in alle drie de gevallen ging het om zwarte gaten die samensmolten.

Tijdens de tweede Observation run O2 werden er acht waarnemingen van gravitatiegolven gedaan, waarbij er ook eentje een gevolg was van het samensmelten van twee neutronensterren. Dat was de eerste in zijn soort, en bovendien heeft men daarbij ook elektromagnetische straling kunnen observeren die geproduceerd werd door de botsing van die neutronensterren. Dat was mogelijk door het gebied waar dit signaal vandaan leek te komen systematisch te observeren. Deze kon uiteindelijk gelinkt worden aan het oplichten van sterrenstelsel NGC 4993 op zowat 140 miljoen lichtjaar in het sterrenbeeld Hydra. Daarmee beschikten we meteen ook over een heel precieze locatie waarvan die gravitatiegolven afkomstig waren, wat voor de andere events een heel stuk vager is. Daarnaast bood de kennis van de exacte afstand tot de bron ons de mogelijkheid om een heel nauwkeurige meting te doen van H0, de Hubbleconstante. Een heel cruciale waarde voor de kosmologie, want daarmee wordt aangegeven aan welke snelheid het universum expandeert. Dus op dat gebied was de waarneming van GW170817 ook weer een belangrijke mijlpaal.

Tijdens run O3 kregen we voor het eerst te maken met gravitatiegolven als gevolg van het samensmelten van een neutronenster en een zwart gat.

En intussen zijn we halverwege run O4 en ook daar zijn al interessante observaties uitgekomen: zwarte gaten met een extreem lage massa, lager dan een zonsmassa. Dat zijn problematische objecten, want ze passen niet in ons klassieke plaatje over hoe zwarte gaten tot stand komen. En daar moeten we een andere uitleg voor zien te vinden. Hoe ontstaan ze? Zijn het primordiale objecten uit het jonge heelal? Zijn er nog mechanismen die leiden tot de vorming van zwarte gaten waar we momenteel geen weet van hebben? Daarnaast hebben we bij andere events ook afwijkingen gevonden die niet helemaal in overeenstemming zijn met wat de algemene relativiteit voorspelt. En op die manier zijn onze observaties dus een goede test om te zien hoe accuraat de algemene relativiteit wel is. Natuurlijk bestaan er ook andere verklaringen voor deze observaties die geen afbraak doen aan de theorie.

Een tip voor wie er zich meer wil in verdiepen: je kan via Wikipedia een up-to-date overzicht vinden van waargenomen gravitatiegolven met een heleboel specificaties en interessante tabellen.

 

 

Virgo, gezien vanuit de lucht - Copyright afbeelding: https://www.virgo-gw.eu/ via Wikipedia

 

Naast LIGO heb je de Europese tegenhanger Virgo.

Zeer zeker, LIGO is van in het begin betrokken bij alle detecties tot op heden, maar sinds augustus 2017 is Virgo vanuit Italië bezig met dezelfde waarnemingen. En in 2019 kwam daar ook nog de Japanse KAGRA bij, de Kamioka Gravitational Wave Detector.

 

Fantastisch toch dat men met de VS, Europa en Japan zo goed samenwerkt op dat terrein?

Momenteel werken de verschillende observatoria samen onder de overkoepelende VLK (LIGO-Virgo-KAGRA) Collaboratie, en die samenwerking is absoluut noodzakelijk. De gravitatiegolfdetectoren zijn vatbaar voor zwakke en zeldzame signalen die van overal aan de hemel afkomstig kunnen zijn. Als we simultaan een gravitatiegolf met onze verschillende detectoren in de VS, Europa en Japan detecteren is zo’n meervoudige detectie cruciaal om zeker te zijn dat het wel degelijk om een gravitatiegolf gaat en om de locatie van de bron ervan te kunnen achterhalen.

Op een rechte lijn doorheen de Aarde liggen de twee sites van LIGO 3.002 km van elkaar, als we het meten over het oppervlak wordt dat 3.030 km. Gravitatiegolven planten zich voort aan de lichtsnelheid, en voor de afstand tussen beide detectoren komt dat neer op een verschil in aankomsttijd van de gravitatiegolf van tien milliseconden.  

Als je dus één enkele detector hebt is het bijna onmogelijk om de bron van een gravitatiegolf te lokaliseren, maar als je een zelfde golf met verschillende detectoren die ver genoeg uit elkaar liggen kan waarnemen, kan je op basis van de verschillende aankomsttijden ervan via triangulatie extrapoleren naar waar het signaal vandaan moest komen.

 

Copyright afbeelding: Public Domain via Wikipedia

 

Wat is de rol van de Ghent Gravity Group in het hele verhaal?

Wij zijn een van de vele onderzoekgroepen wereldwijd die gravitatiegolven bestuderen. Met de Ghent Gravity Group werken wij deels op data-analyse en deels op instrumentatie. Zelf ben ik enkel bezig met data-analyse. En met onze onderzoeksgroep ligt de focus voornamelijk op de rol die gravitatiegolfobservaties kunnen spelen op het vlak van kosmologie.

Dat werk is tweeledig. Enerzijds werken wij met waargenomen data van LVK. LVK staat voor LIGO, Virgo en KAGRA. Daarmee proberen wij de parameters te meten die voorkomen in het standaard kosmologische model, het zogenaamde Lambda-CDM model. Dat is zoals je wel weet een wiskundig model van het heelal, vertrekkend bij de Big Bang. Daarbij zijn van belang de kosmologische constante Lambda, die verband houdt met de veronderstelde donkere energie, koude donkere materie of Cold Dark Matter, vandaar de CDM, met daarnaast de gewone materie die we overal om ons heen zien in het heelal.

De voornaamste parameter daarin is H0, de Hubbleconstante. H0 geeft de snelheid aan waarmee het universum expandeert, wat zich uit in een relatie tussen de afstand en de roodverschuiving van een object. De gemeten waarde van H0 hangt af van de methode die gebruikt is om ze te bepalen. Vanuit de sterrenkunde die elektromagnetische straling bestudeert zijn er twee metingen: een meting van H0 op basis van type Ia supernovae, die functioneren als standaardkaarsen in het lokale universum, en een meting van de kosmische achtergrondstraling, daterend uit het prille heelal, waarbij het powerspectrum van de uitwijkingen in deze straling wordt gefit aan de verwachtingen op basis van Lambda-CDM. De eerste berekening komt uit op een waarde van 72,53 km per seconde per megaparsec, de tweede op 67,8 km per seconde per megaparsec. Initieel lagen deze waarden binnen elkaars fouteninterval, maar na jaren van verfijning van beide methodes is er een vijf-sigma spanning tussen de resultaten ontstaan, dat is een serieus probleem. Dus is het terecht dat de kosmologische wereld zich toch zorgen begint te maken over dit verschil. Is er een probleem met de metingen, of met het kosmologisch model?

 

Ja, er wordt zelfs onverbloemd over een crisis gesproken in de kosmologie door de onzekerheid in verband met de Hubbleconstante.

En uiteindelijk zullen gravitatiegolven een volledig nieuw licht kunnen werpen op deze H0-crisis, omdat wij een meetmethode hanteren die onafhankelijk is van kosmologische afstandsladders, omdat we bij gravitatiegolven de afstand tot een object kunnen afleiden uit de amplitude van de golf. Voor elke gravitatiegolf die we detecteren krijgen we een zogenaamde H0 posterior. Deze functie geeft de waarschijnlijkheid voor verschillende waarden van H0 aan.

Met die ene waarneming van GW170817, gecombineerd met zijn elektromagnetische tegenhanger, verkregen we één enkele piek, doordat de roodverschuiving van dat event kon worden overgenomen van de gastgalaxie, dewelke bepaald was via spectroscopie.

Voor alle andere observaties van gravitatiegolven hebben we geen elektromagnetische tegenhanger gevonden. We hebben het niet gezien of er was er gewoon geen, zoals doorgaans het geval is bij zwarte gaten. Wat doen we daar dan mee? We kunnen daar nog steeds gebruik van maken, maar dan op een statistische manier.

Hoe gaan we daarbij concreet te werk? Eerst kijken we in welke regio het event zich heeft afgespeeld. Vervolgens marginaliseren we over alle sterrenstelsels die in dat gebied voorkomen, omdat het event zich in elk sterrenstelsel kan voorgedaan hebben. Als het gebeurd is in dit ene sterrenstelsel geeft dat aanleiding tot deze H0, als het gebeurd is in dat andere sterrenstelsel krijgen we deze andere waarde voor H0. En zo krijg je in dat gebied een H0 posterior met overal piekwaarden. Als we ten slotte de informatie van verschillende events combineren culmineert dit tot een enkelvoudig gepiekte curve waar de echte H0 zou moeten zitten doordat alle valse pieken onderdrukt worden.

Ons onderzoek bevindt zich nog in een beginstadium. Er is nog een heel brede foutenmarge, dus momenteel is de waarde die wij bepalen voor H0 nog verenigbaar met de beide waarden uit de astronomie. De statistische onzekerheid zal dalen naargelang we meer events verzamelen. Desondanks blijft het een moeilijk proces waarbij we zeer voorzichtig moeten zijn omdat er heel veel bronnen zijn van systematische fouten die aanleiding zouden kunnen geven tot een gebiast resultaat, en dat willen we natuurlijk absoluut niet voor een precisiemeting. Daarom moeten we ervoor zorgen dat onze systematische fouten op de juiste manier in rekening gebracht worden.

Een van de factoren waardoor we kunnen misleid worden is de zogenaamde galaxy catalogue incompleteness. Als we op zoek gaan naar sterrenstelsels maken we gebruik van catalogi waarin deze staan opgelijst. En die catalogi zijn allemaal magnitude gelimiteerd: dichterbij kunnen we ongeveer alle sterrenstelsels zien, maar hoe verder weg we kijken, hoe onvollediger de lijst wordt omdat we van die heel ver verwijderde sterrenstelsels enkel de helderste exemplaren kunnen zien. Zo krijg je een groeiende galaxy incompleteness naarmate je dieper in de ruimte kijkt. En heel ver weg in de ruimte is nu net de regio waar veel van de gebeurtenissen die gravitatiegolven veroorzaken zich afspelen. We kunnen daar wel een correctiefactor op toepassen die een betrouwbaar idee geeft hoeveel sterrenstelsels we daar zouden verwachten, maar al bij al zorgt het ervoor dat we minder informatie kunnen halen uit de waargenomen gravitatiegolven dan wanneer we die informatie wel heel exact hadden gehad.

En om op dat vlak nauwkeuriger resultaten te bekomen werk ik nu op een project waarbij we informatie uit catalogen van sterrenstelselclusters proberen te implementeren. Met die zogenaamde galaxy cluster catalogues kijken we een heel stuk dieper in het heelal, en zo kunnen we gebeurtenissen op hoge roodverschuivingen, dus op heel verre afstanden, waar gravitatiegolven hun oorsprong vinden toch linken aan eerdere observaties in het elektromagnetische spectrum. Dat is momenteel een project waar ik aan werk.

Een ander belangrijk deel van ons werk is in functie van de toekomstige Einstein Telescope, bij ons gemeenzaam ET genoemd. Aan de hand van de sensitiviteitscurves die we verwachten voor ET en voor Cosmic Explorer, de Amerikaanse tegenhanger van ET, werk ik simulaties uit. We verwachten immers van de volgende generatie detectoren dat zij een heel stuk gevoeliger zullen zijn voor gravitatiegolven dan de instrumenten die er nu zijn. Dus bekijk ik wat die toekomstige detectoren zouden kunnen betekenen voor het kosmologische onderzoek. Ik concentreer mij daarbij op de grote structuren in het heelal. Zoals je weet begon het universum uniform met daarin kwantumfluctuaties. Na verloop van tijd zijn die fluctuaties geëvolueerd tot de grote structuren die we in het heelal van vandaag zien, waarbij sterrenstelsels bijeenzitten in clusters, cluster in superclusters, enzovoort. Ik wil te weten komen of we op basis van alle gravitatiegolfobservaties met ET en Cosmic Explorer ook de grote structuren in het heelal in kaart kunnen brengen - iets wat nu reeds gedaan wordt met elektromagnetische waarnemingen van sterrenstelsels - maar dan via waarnemingen van gravitatiegolven. We zijn dan niet langer gebonden aan licht en zichtbare materie dat allerlei interacties ondergaat tijdens zijn reis doorheen het heelal. Wie weet zijn we dan gevoelig aan andere astrofysische processen tussen stervorming en het ontstaan van zwarte gaten. En wie weet ziet het universum er in gravitatiegolven een heel stuk anders uit dan het universum zoals we het tot nu kennen…

 

Wat een boeiende zoektocht! En met binnen een aantal jaren de Einstein Telescope en nadien ook nog de ruimte-interferometer LISA staan er nog grootse dingen te gebeuren op het vlak van het onderzoek van gravitatiegolven.

Bij LISA, de Laser Interferometer Space Antenna, en ET zitten we bij detectoren van de derde generatie. LIGO en Virgo hebben L-vormige armen van vier en drie km lang, bij ET gaat het om een driehoek met armen van 10 km. En bovendien wordt ET ondergronds gebouwd en werkt deze onder cryogene omstandigheden om verschillende bronnen van ruis te kunnen onderdrukken.

De ruimte-interferometer LISA is van een nog andere grootteorde: het gaat om drie ruimtetuigen die in dezelfde baan als de Aarde in driehoeksformatie rond de Zon draaien, met tussen de drie satellieten een afstand van maar liefst 2,5 miljoen km.

 

Hoe kan het dat een zo extreem gevoelig instrument als een gravitatiegolfdetector zijn ding doet ondanks het feit dat er op Aarde zoveel omgevingsruis is die de laserinterferometer toch ook zal beïnvloeden?

Zo’n detector is heel complex. Hoe meer je erover te weten komt, hoe ongelooflijker het wordt dat het geheel toch kan werken. Want, zoals je net zegt, er zijn zoveel bronnen van ruis: er is seismische ruis van de Aarde zelf, en ten gevolge van menselijke activiteiten. Een collega van mij heeft enkele maanden in Louisiana gewerkt bij LIGO Livingston, en het was zijn taak om een bron van ruis te identificeren die duidelijk temperatuurafhankelijk was. Finaal bleek het om de airco te gaan…

Standaard is de sensitiviteitscurve van een detector aan bij lage frequenties gelimiteerd door seismische ruis en bij hoge frequenties voor zogenaamde kwantumruis. Dat laatste heeft te maken met de kwantumnatuur van licht van de lasers die we gebruiken. En in het frequentiegebied daar tussenin krijgen we te maken met thermische ruis. Het laserlicht wordt immers niet perfect gereflecteerd. Een minieme hoeveelheid energie ervan wordt door de spiegels geabsorbeerd, waardoor deze opwarmen, en dan krijg je natuurlijk trilling. Andere bronnen van trilling zijn luchtmoleculen die botsen tegen de spiegels, ook al werken we in een super hoog vacuüm. De spiegels die gebruikt worden zijn loodzwaar, en om ze zo trillingvrij mogelijk op te stellen  zijn ze opgehangen in een ingenieus viervoudig slingersysteem. Daarmee kan een groot deel van de ruis vanuit de buitenwereld geëlimineerd worden, maar toch niet alles.

Met de huidige generatie interferometers komen we tot een gevoeligheid die optimaal is voor het waarnemen van compacte binaire systemen bestaande uit zwarte gaten en/of neutronensterren.

ET zal hetzelfde doen, maar dan veel beter, door de verbeterde sensitiviteit. En helemaal nieuw bij ET is de constructie van een null stream. Deze heeft te maken met de driehoeksconfiguratie van de detector met drie paar L-vormen waarbij een bepaalde combinatie van de drie detector responses zodanig is dat elk signaal veroorzaakt door astronomische bronnen nul zou moeten zijn. Zo’n resultaat  biedt een unieke kans om de detectorruis beter te bepalen, en dit zouden we nooit kunnen behalen met aparte L-vormige detectoren.

LISA’s optimum situeert zich in een volledig ander frequentiegebied. Door die reusachtige interferometer in de ruimte zullen gravitatiegolven bij veel lagere frequenties waarneembaar zijn, wat overeenkomt met veel massievere bronnen. Zo verwachten we met LISA de versmelting van supermassieve zwarte gaten te kunnen detecteren. Maar ook laag frequente sporen van allerlei andere objecten. Zo zou het kunnen dat we sporen van de nakende samensmelting van stellaire zwarte gaten eerst in de LISA-band kunnen zien passeren en dat we die gebeurtenissen pas jaren later met onze detectoren op het aardoppervlak in een finaal stadium van hun samensmelting terug zien.

 

Ik dacht dat er ook pulsars gebruikt worden om gravitatiegolven op te sporen?

Inderdaad, daarvoor bestaat de International Pulsar Timing Array, de IPTA, een consortium van organisaties die met behulp van de grootste radiotelescopen ter wereld een honderdtal millisecondenpulsars observeren in een wereldwijd netwerk en daarmee de periode van de radiopulsen heel precies registreren. Omdat de pulsen die door supersnel ronddraaiende neutronensterren worden uitgezonden perfect te voorspellen zijn kunnen die millisecondenpulsars dienst doen als een bron voor hypernauwkeurige tijdsbepaling. En als er dan gravitatiegolven passeren zullen die als effect hebben dat er een verstoring optreedt bij de metingen van die pulsen. Dankzij dat netwerk van samenwerkende radiotelescopen krijgen we datasets met de precieze timing van pulsarsignalen, en dat systeem fungeert effectief als de meest gevoelige detector die mogelijk is voor laagfrequente gravitatiegolven.

Met de radiotelescopen erbij heb je zo drie totaal verschillende soorten detectoren waarmee verschillende soorten bronnen van gravitatiegolven kunnen waargenomen worden. En daartussen heb je nog biedt een unieke kans om de detectorruis beter te begrijpen, d.w.z. gebieden waarvoor we momenteel nog geen detectoren hebben, en die ook niet concreet gepland staan. En momenteel zit er voor die frequenties ook nog niets in de pipeline, alleszins niets waar even serieus op ingezet wordt als op ET, de Cosmic Explorer of LISA.

 

De Einstein Telescope zou in 2035 operationeel moeten zijn, intussen wordt er nog duchtig gediscussieerd en gelobbyd over de locatie ervan.

Wel ja, er spelen natuurlijk veel belangen mee bij de bouw en de uitbating van zo’n reusachtig project. Je hebt natuurlijk het wetenschappelijke luik dat speelt, maar er is ook een enorm sociaal aspect waarmee rekening wordt gehouden.

Vanuit seismologisch oogpunt is Sardinië gunstiger dan de Euregio Maas-Rijn, dat zijn de twee sites waarover men discussieert. En kort geleden werd ook een site helemaal in het oosten van Duitsland, aan de grenzen van Polen en Tsjechië, voorgesteld als mogelijke locatie voor ET. Daarnaast is er ook een 2L-configuratie met een detector per site naar voren geschoven die de discussie nog heviger heeft doen oplaaien. Ik hoop dat men uiteindelijk op basis van objectieve criteria de best geschikte locatie zal bepalen.

Maar om die keuze te maken zijn dus niet enkel wetenschappelijke argumenten van tel, je hebt ook het budgettaire luik en de logistieke kant van de zaak. Logistiek gezien lijkt mij de Euregio Maas-Rijn een heel stuk gunstiger: je hebt alle nodige wegen en andere infrastructuur, er zijn tal van universiteiten en andere onderzoekscentra vlakbij, en heel wat profielen van uit de buurt kunnen meteen tewerkgesteld worden en operationeel zijn. In Sardinië ligt dat een stuk minder voor de hand. Waar het uiteindelijk allemaal op neerkomt is of er politiek voldoende interesse, draagvlak en geld is om ET te realiseren.

 

 

Copyright afbeelding: Einstein Telescope Euregio Maas-Rijn

 

Het voornaamste is natuurlijk dat het project er komt en dat daarmee de wetenschap weer grote sprongen voorwaarts kan maken, niet?

Dat klopt. En de samenwerking tussen zovele wetenschappelijke instellingen en onderzoeksgroepen zal zeker ook een heel positieve elan geven.

Ik had al gesproken over het onderzoek dat wij met de Ghent Gravity Group doen op het vlak van data-analyse, maar dat is slechts één aspect van ons werk. Het andere dat hier gebeurt is werken aan instrumenten die gebruik maken van lasertechnologie. Sinds kort hebben wij een eigen laserlaboratorium waar lasers getest worden om in ET of in andere toekomstige detectors gebruikt te worden. Geleidelijk aan zal die groep groeien naarmate meer en meer master en PhD studenten, en Postdocs bij betrokken geraken.

Dat wordt bijvoorbeeld interessant voor ET pathfinder, een kleine interferometer als testopstelling die in Maastricht gebouwd werd. ET pathfinder is niet bedoeld is om zelf gravitatiegolfobservaties te doen, maar wel om alle technologie die we nodig gaan hebben in toekomstige detectoren te testen: verschillende mirror coatings, lasers, vacuümtechnologieën, enzovoort, allerlei zaken die daarbij te pas komen en bij ET pathfinder op kleinere schaal getest kunnen worden.

 

In de loop der jaren zie je dat het sterrenkundig en kosmologisch onderzoek toch wel een serieuze evolutie doormaakte. De satelliet COBE toonde de kosmische achtergrondstraling, de VLT met vier reuzentelescopen in het Chileense Andesgebergte werd gebouwd, we hebben de James Webb Space Telescope in de ruimte, er werden exoplaneten en gravitatiegolven ontdekt, …

Zelf zie ik dat toch lichtjes anders. Tijdens de studies krijg je als student ontzettend veel wetenschap op heel korte tijd te zien. Pas wanneer je zelf in het onderzoek bent beland, merk je hoe gestaag dat wetenschap evolueert. Of dat je op vier jaar tijd maar een heel klein stapje kunt zetten.

 

Maar vele stapjes samen…

Inderdaad, dat is wetenschappelijke vooruitgang. Al die kleine stapjes samen, al die samenwerkingen. Maar dat is hoe dan ook een heel stuk trager dan hoe dat je het in tekstboeken vooruit ziet gaan.

 

En hoe zie je jouw carrière verder evolueren, Freija?

Als je in dit soort wetenschappelijk veld wil blijven wordt er in feite verwacht dat je voor een Postdoc naar het buitenland gaat. Zo kan je als wetenschapper bewijzen dat je in eender welke onderzoeksgroep kunt floreren en vooruitgang kunt boeken.

Mocht ET uiteindelijk in onze regionen gebouwd wordt, dan zal er enorm veel wetenschappelijk en technisch personeel nodig zijn om die machine te doen functioneren en om de verkregen data te verwerken. In ieder geval zal ik met veel trots kunnen zeggen dat ik deel heb uitgemaakt van dat gigantische project.

 

We wensen het jou van harte toe, Freija! Bedankt voor het boeiende verhaal, en veel succes met je verdere onderzoek.

 

 

Tekst: Francis Meeus, juni 2024