Zwaartekrachtgolfobservatoria, zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), zijn oefeningen met extreme gevoeligheid. LIGO’s twee experimentele oren – één in Louisiana en de andere in de staat Washington – luisteren naar rimpelingen in de ruimtetijd die worden achtergelaten door objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren. Om dit te doen, houdt LIGO nauwlettend kleine fluctuaties in kilometerslange laserstralen in de gaten. De uitdaging is dat alles, van rommelende tractoren tot weersomstandigheden en kwantumruis, zijn eigen interferentie kan veroorzaken. Een groot deel van het observeren van zwaartekrachtgolven is de wetenschap van het verwijderen van ongewenste ruis.
Nu, na een reeks upgrades, kunnen beide oren van LIGO 60 procent meer gebeurtenissen horen dan ooit tevoren. Een groot deel van de eer gaat naar een systeem dat nauwelijks waarneembare kwantumruis corrigeert door letterlijk licht te knijpen.
Natuurkundigen en ingenieurs sleutelen al tientallen jaren aan het knijpen van licht in het laboratorium, en hun werk laat echte resultaten zien. “Het is geen demonstratie meer”, zegt Lee McCuller, natuurkundige bij Caltech. “Wij gebruiken het ook daadwerkelijk.” McCuller en zijn collega’s zullen hun werk in het tijdschrift publiceren Lichamelijk onderzoek van X 30 oktober.
Zwaartekrachtgolven zijn een vreemde curiositeit over hoe zwaartekracht werkt, zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Terwijl een steen die in het water valt rimpelingen uitzendt, veroorzaken voldoende spectaculaire gebeurtenissen – bijvoorbeeld twee zwarte gaten of twee neutronensterren die samensmelten – rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd. Door naar deze zwaartekrachtsgolven te luisteren, kunnen astronomen in massieve objecten kijken, zoals zwarte gaten en neutronensterren, die anders moeilijk duidelijk te zien zijn. Wetenschappers kunnen dit alleen bereiken dankzij apparaten als LIGO.
LIGO’s oren hebben de vorm van zeer grote L’s en hun armen zijn precies 4 kilometer lang. De laserstraal, opgesplitst in twee delen, gaat elk langs één arm. Die stralen weerkaatsen aan de andere kant van de spiegel en keren terug naar de punt, waar ze opnieuw kunnen worden gecombineerd tot een enkele straal. Kleine verschuivingen in de ruimte-tijd (zwaartekrachtgolven) kunnen op subtiele wijze elke hand uitrekken en samenknijpen, waardoor patronen worden geëtst in het licht van de opnieuw gecombineerde straal.
De lengteverschuivingen zijn uiterst subtiel, te klein om met het blote oog waar te nemen. De taak om zo’n kleine verschuiving te detecteren wordt zelfs nog moeilijker wanneer LIGO’s detectoren gevoelig zijn voor aardbevingen, weersomstandigheden en menselijke activiteiten, die allemaal geluid veroorzaken dat spiegels doet rammelen of laserstralen doet trillen.
Natuurkundigen hebben manieren ontwikkeld om al dat geluid te verwijderen. Ze kunnen hun handen in een vacuüm houden, vrij van andere zaken, om geluidsgolven te voorkomen. Ik kan spiegels ophangen om ze te isoleren van trillingen. Ze kunnen het geluid van de buitenwereld meten en instrumenten daarop afstemmen, zoals een hele grote noise-cancelling koptelefoon.
Maar iets wat deze methoden niet kunnen wegfilteren is de kwantumfysica. Zelfs in een perfect vacuüm laat de inherente willekeur van het universum op zijn kleinste schaal – deeltjes die in en uit springen – zijn sporen na. “Je hebt een natuurlijke fluctuatie in het niveau van je meting die een zwak zwaartekrachtgolfsignaal kan maskeren”, zegt Patrick Sutton, een astrofysicus aan de Universiteit van Cardiff, lid van de LIGO-Virgo-samenwerking en die geen auteur was van de nieuwe studie.
[Related: We’ve recorded a whopping 35 gravitational wave events in just 5 months]
LIGO ontdekte in 2016 de allereerste bevestigde zwaartekrachtgolven. Rond dezelfde tijd dachten de operators na over manieren om kwantumverstoringen te elimineren. Natuurkundigen kunnen licht manipuleren door het in een kristal op te sluiten en erin te ‘knijpen’. Ze installeerden een dergelijk kristal op beide LIGO-detectoren, op tijd voor de derde detectieronde van het observatorium, die in 2019 begon.
Door de upgrade kon LIGO werken met laserlicht met hogere frequenties. Maar deze compressie van licht heeft een prijs: het maakt het moeilijker om licht met een lagere frequentie te lezen. Dit is problematisch, omdat zwaartekrachtsgolven van gebeurtenissen die we kunnen detecteren – zoals het samensmelten van zwarte gaten – de neiging hebben een groot deel van het licht met een lagere frequentie in LIGO te produceren.
Dus nadat COVID-19 LIGO medio 2020 dwong te sluiten, voegden de operators een nieuwe kamer toe aan hun squeeze-opstelling. Deze kamer maakt een meer aanpasbare aanpak mogelijk, waarbij verschillende eigenschappen van licht op verschillende frequenties worden gemanipuleerd. Om dit te doen moet de kamer gedurende 3 milliseconden licht opvangen – genoeg tijd om het licht honderden kilometers te laten afleggen. De kamer werd operationeel toen LIGO’s vierde, huidige observatiecyclus eerder dit jaar van start ging.
“Het kostte veel technisch en ontwerpwerk en zorgvuldig nadenken om van dit een upgrade te maken die zijn werk doet en de compressie verbetert, maar geen nieuwe ruis introduceert”, zegt McCuller.
Beide LIGO-detectoren kunnen nu zwaartekrachtgolven uit de verre kosmos en de wijdere ruimte oppikken. Volgens Sutton hoort LIGO nu ongeveer 60 tot 70 procent meer evenementen. Dankzij een betere gevoeligheid kunnen astronomen zwaartekrachtsgolven met een veel grotere nauwkeurigheid meten, waardoor ze de algemene relativiteitstheorie kunnen testen. “Dit is een aanzienlijke sprong”, zegt Sutton.
[Related: Astronomers now know how supermassive black holes blast us with energy]
LIGO’s collega-detector in Europa, Virgo, implementeert dezelfde frequentie-afhankelijke compressie op basis van eigen onderzoek van zijn wetenschappers. “Momenteel kennen we geen andere techniek die dit zou kunnen verbeteren”, zegt McCuller. “Wat de nieuwe technieken betreft, is dit de beste die we op dit moment kunnen gebruiken.”
Alle zwaartekrachtgolfgebeurtenissen die we tot nu toe hebben gezien, zijn afkomstig van twee zwarte gaten of twee opkomende neutronensterren: luide, gewelddadige gebeurtenissen die een even gewelddadige plons achterlaten. Maar luisteraars naar zwaartekrachtgolven zouden zwaartekrachtgolven graag willen gebruiken om naar andere gebeurtenissen te luisteren, zoals supernova’s, gammaflitsen en pulsars. We zijn er nog niet helemaal, maar compressie kan ons dichterbij brengen doordat we volledig kunnen profiteren van de hardware die we hebben.
“De sleutel is gewoon om de detectoren nog gevoeliger te maken – die ruis te verminderen en te verminderen en te verminderen – totdat we er uiteindelijk wat van gaan zien”, zegt Sutton. “Ik denk dat het een paar hele spannende dagen gaan worden.”