Hoe meet je zwaartekrachtsgolven?
De algemene relativiteitstheorie stelt dat zwaartekracht bestaat doordat massa de ruimtetijd vervormt. Zoals een trampoline inzakt als je er op gaat zitten. Leg je dan een balletje op de rand, dan rolt dat langs die kromming naar je toe. Als je gaat springen op de trampoline, dan zakt hij niet rustig in maar ontstaan er rimpelingen. Einstein voorspelde dat zoiets ook zou gebeuren in het heelal als zeer compacte, zware en energierijke objecten zouden versnellen door de ruimte: de ruimtetijd gaat rimpelen. Dit is een zwaartekrachtsgolf. De golf verplaatst zich vervolgens met de lichtsnelheid door het heelal en verliest heel langzaam aan energie.
Laserinterferometrie
Een interferometer is een onderzoeksinstrument dat al bestaat sinds het einde van de 19e eeuw. Verschillende wetenschappers gebruikten dit instrument om de snelheid van licht te bepalen. Het waren uiteindelijk Albert Michelson en Edward Morley die hier goede werkende opstelling voor konden maken. Hun onderzoek was ook een van de bouwstenen die Albert Einstein gebruikte om zijn theorie op te stellen.
De interferometer bestaat uit een laser die door een speciale spiegel (een bundelsplitser), 2 andere spiegels en een detector. Dit kan heel klein zijn, maar ook heel groot, de basis blijft altijd hetzelfde.
De detector bekijkt niets anders dan het interferentiepatroon van de twee lichtstralen.
In de Verenigde Staten hebben ze het LIGO gebouwd. Het “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”. Het LIGO bestaat uit twee detectoren, een in Livingston, Louisiana, en een in Hanford, Washington State, in de Verenigde Staten. De LIGO-detectoren bestaan uit twee loodrecht op elkaar geplaatste vacuümbuizen van elk 4 kilometer lang. Hierdoor wordt laserlicht gestuurd. Aan het einde van de buis wordt dit licht terug gespiegeld, waarna het licht uit de twee buizen weer wordt gecombineerd.
Als het licht precies dezelfde afstand aflegt zal de golf ook precies in hetzelfde punt weer samenkomen, als de afstanden precies een halve golflengte verschillen doven de golven elkaar uit, zo is de opstelling ontworpen. Maar als deze afstand ook maar een kleine beetje afwijkt dan ontstaat er een verschil. Een minieme verschuiving van het golfpatroon van de ene lichtbundel ten opzichte van de andere wijst op afwijkingen in de lengte van de buizen. De zwaartekrachtsgolf zorgt voor een rimpeling van de ruimtetijd, maar wel op een zeer specifieke manier. De ruimte wordt in 1 richting uitgerekt en hier loodrecht op juist samengedrukt.
Als de lengte van de armen veranderen, verandert ook de afstand die door elke laserstraal wordt afgelegd en hierdoor komen ze dus in een andere fase samen en komt er dus toch licht op de detector.
Qua theorie best goed te volgen, maar wat als de armlengte maar 10-19 meter verandert?
Nauwkeurigheid
Om de nauwkeurigheid van de detectie te verbeteren is de gebruikte interferometer uitgerust met wat upgrades ten opzichte van het oorspronkelijke model van Michelson en Morley. Zo wordt de lichtbundel 300x heen en weer gestuurd voordat weer wordt samengevoegd. Hierdoor wordt lengte van de buis kunstmatig ge-upgrade naar 1200 kilometer en dit zorgt voor een enorme verhoging van de gevoeligheid. Als het licht namelijk niet 4 kilometer moet afleggen en dit misschien een heel klein beetje verandert, maar 300x zo ver, dan zal de afwijking ook groter worden.
Een tweede upgrade om de gevoeligheid een flinke boost te geven is het verhogen van de energie van de laserbundel. Door speciale spiegels is het mogelijk om een bundel met een vermogen van 40 W naar een bundel van 750 kW te krijgen. De spiegels weerkaatsen namelijk steeds de bundel, terwijl er wel steeds nieuwe fotonen aan de bundel toegevoegd worden. Doordat er meer fotonen in de bundel zitten is de kans dat er iets op de detector komt groter. En hoe meer fotonen op de detector komen, des te beter is de zwaartekrachtsgolf te meten.
Tot slot is er een heel team wetenschappers bezig geweest om deze opstellingen zo te maken dat er geen last is van ruis en trillingen van buitenaf. Dat alleen is al een hele prestatie op zich.
Virgo
Ook Europa heeft zijn eigen zwartekrachtsgolfdetector. Dit is Virgo, vernoemd naar het Virgo cluster, en staat vlak buiten de stad Pisa in Italië. Virgo is een samenwerking tussen Franse en Italiaanse wetenschapsinstituten en hier is later het Nederlandse NIKHEF (Nationaal instituut voor kernfysica en hoge-energiefysica, tegenwoordig het nationaal instituut voor subatomaire fysica) bij aangesloten. De eerste wetenschappelijke waarnemingen begonnen in 2007 en toen is er ook direct een overeenkomst getekend om intensief samen te werken met het LIGO om zo nog beter de zwaartekrachtsgolven in kaart te brengen.