LIVINGSTON, La. - Ongeveer anderhalve mijl van een gebouw dat zo groot is dat je het vanuit de ruimte kunt zien, vertraagt elke auto op de weg tot kruipen. Bestuurders weten de snelheidslimiet van 10 mph (16 km / h) zeer serieus te nemen: dat komt omdat het gebouw een enorme detector herbergt die op de kleinste schaal ooit op celestiale trillingen jaagt. Het is niet verrassend dat het gevoelig is voor alle aardse trillingen eromheen, van het gerommel van een passerende auto tot natuurrampen aan de andere kant van de wereld.
Dientengevolge moeten wetenschappers die werken bij een van de LIGO-detectoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tot het uiterste gaan om alle potentiële geluidsbronnen op te sporen en te verwijderen - het verkeer rond de detector vertragen en elke kleine trilling in de grond, waarbij de apparatuur zelfs wordt opgehangen aan een viervoudig pendelsysteem dat trillingen tot een minimum beperkt - en dat alles in een poging de meest "stille" trillingsplek op aarde te creëren.
'Alles draait om het opsporen van geluid', zegt Janeen Romie, groepsleider detector-engineering bij de LIGO-detector in Louisiana.
Waarom zijn LIGO-natuurkundigen zo geobsedeerd door het elimineren van lawaai en het creëren van de meest trillingsvrije plek op aarde? Om dat te begrijpen, moet je weten wat zwaartekrachtsgolven zijn en hoe LIGO ze in de eerste plaats detecteert. Volgens algemene relativiteit maken ruimte en tijd deel uit van hetzelfde continuüm, dat Einstein ruimtetijd noemde. En in de ruimtetijd kunnen snel versnellende massieve objecten zwaartekrachtsgolven produceren, die lijken op de rimpelingen die naar buiten stralen wanneer een kiezelsteen op het oppervlak van een vijver valt. Deze golven onthullen het uitrekken en samentrekken van het weefsel van de kosmos zelf.
Hoe meet je veranderingen in de ruimtetijd zelf, wanneer een meetinstrument dezelfde veranderingen zou ervaren? De ingenieuze oplossing is een zogenaamde interferometer. Het berust op het feit dat gravitatiegolven de ruimtetijd langs één richting uitrekken, terwijl ze samentrekken in de loodrechte richting. Denk aan een boei op het water: wanneer een golf voorbijgaat, dobbert hij op en neer. In het geval van een zwaartekrachtgolf die over de aarde straalt, oscilleert alles lichtjes heen en weer, in plaats van op en neer.
De detector van LIGO bestaat uit een laserlichtbron, een straalsplitser, meerdere spiegels en een lichtdetector. Het licht verlaat de laser, wordt door een straalsplitser in twee loodrechte bundels opgesplitst en reist vervolgens over gelijke afstanden langs de armen van de interferometer naar twee spiegels, waar het licht terug wordt gereflecteerd langs de armen. Beide stralen raken vervolgens de detector, die tegenover een van de reflecterende spiegels is geplaatst. Wanneer een zwaartekrachtgolf door de interferometer gaat, maakt het een van de armen iets langer en de andere iets korter, omdat het de ruimte in de ene richting uitrekt terwijl het langs de andere wordt gecomprimeerd. Deze oneindig kleine verandering registreert in het patroon van licht dat het licht raakt detector. Het gevoeligheidsniveau van LIGO komt overeen met "het meten van de afstand tot de dichtstbijzijnde ster (ongeveer 4,2 lichtjaar) tot een nauwkeurigheid die kleiner is dan de breedte van een mensenhaar", aldus de LIGO-samenwerkingswebsite.
Om de golf van dat haar te kunnen detecteren, gaan wetenschappers tot het uiterste om mogelijke verstoringen van deze fijn afgestemde opstelling te elimineren, zei Carl Blair, een postdoctoraal onderzoeker bij LIGO die opto-mechanica bestudeert, of de interactie van licht met mechanische systemen.
Om te beginnen bevinden de 2,5 mijl lange (4 kilometer) armen zich in een van 's werelds meest perfecte stofzuigers, wat betekent dat het bijna molecuulvrij is, dus niets kan het pad van de straal verstoren. De detectoren zijn ook omgeven door allerlei apparaten (seismometers, magnetometers, microfoons en gammastraaldetectors, om er maar een paar te noemen) die verstoringen in de data meten en verwijderen.
Alles wat kan interfereren met of ten onrechte kan worden geïnterpreteerd als een zwaartekrachtsgolfsignaal, moet ook worden opgejaagd en geëlimineerd, zei Blair. Dat omvat onvolkomenheden in de detector zelf - wat bekend staat als ruis - of niet-astrofysische storingen die door het instrument worden opgevangen - wat bekend staat als glitches. Natuurkundigen moeten zelfs rekening houden met de trillingen van de atomen waaruit de spiegel van de detector bestaat en de willekeurige fluctuaties van de stroom in de elektronica. Op grotere schaal kunnen glitches van alles zijn, van een passerende goederentrein tot een dorstige raaf.
En glitches kunnen erg lastig zijn om vast te pinnen. Toen Arnaud Pele bij het detector-engineeringteam van LIGO kwam, kreeg hij de taak om uit te zoeken waar een bijzonder vervelende storing vandaan kwam: de instrumenten die de beweging van de grond rond de zwaartekrachtgolfdetectoren maten, registreerden een constante piek, en niemand registreerde een constante piek wist waarom. Na enkele maanden hardnekkig speurwerk vond hij de boosdoener: een bescheiden rots tussen de grond en enkele mechanische veren onder een ventilatiesysteem. Vanwege de rots konden de veren niet voorkomen dat de vibratie van de ventilator in de detector opdook, wat het mysteriesignaal veroorzaakte. 'Het is echt een leuk onderdeel van mijn werk, het doen van dit detective-gedoe,' zei Pele. 'Meestal zijn het simpele oplossingen.' In de zoektocht naar oneindig kleine trillingen uit de verre uithoeken van het universum, kan het echte werk heel down to earth zijn.
Het belangrijkste zijn misschien wel drie detectoren: behalve die in Louisiana, is er een in Hanford, Washington en een derde in Italië: 'Als iets echt is, moet het er in alle detectoren hetzelfde uitzien', zei LIGO-samenwerkingslid Salvatore Vitale, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. Als het een goederentrein is of een rots die onder een veer zit, zal hij alleen in een van de drie detectoren verschijnen.
Met al deze tools en enkele zeer geavanceerde algoritmen kunnen wetenschappers de waarschijnlijkheid kwantificeren dat een signaal inderdaad een zwaartekrachtsgolf is. Ze kunnen zelfs het percentage valse alarmen berekenen voor een bepaalde detectie, of de mogelijkheid dat het exacte signaal per ongeluk zou verschijnen. Een van de gebeurtenissen van eerder deze zomer had bijvoorbeeld een vals-alarmpercentage van minder dan één keer in 200.000 jaar, waardoor het een uiterst overtuigende kandidaat was. Maar we zullen moeten wachten tot het definitieve vonnis bekend is.
De rapportage voor dit artikel werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie van de National Science Foundation.
