In februari 2016 schreven wetenschappers die voor het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) werkten geschiedenis toen ze de allereerste detectie van gravitatiegolven aankondigden. Sinds die tijd hebben meerdere detecties plaatsgevonden en wetenschappelijke samenwerkingen tussen observatoria - zoals Advanced LIGO en Advanced Virgo - zorgen voor een ongekende gevoeligheid en het delen van gegevens.
Niet alleen was de eerste detectie van zwaartekrachtgolven een historische prestatie, het luidde een nieuw tijdperk van astrofysica in. Het is dan ook geen wonder dat de drie onderzoekers die centraal stonden bij de eerste detectie de Nobelprijs voor de natuurkunde 2017 hebben gekregen. De prijs werd gezamenlijk uitgereikt aan Caltech-hoogleraren emeritus Kip S. Barish, samen met MIT-professor emeritus Rainer Weiss.
Simpel gezegd, zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die worden gevormd door grote astronomische gebeurtenissen - zoals de samenvoeging van een binair paar zwarte gaten. Ze werden meer dan een eeuw geleden voor het eerst voorspeld door Einstein's Theory of General Relativity, die aangaf dat enorme verstoringen de structuur van de ruimtetijd zouden veranderen. Pas de laatste jaren werd voor het eerst bewijs van deze golven waargenomen.
Het eerste signaal werd gedetecteerd door de dubbele observatoria van LIGO - respectievelijk in Hanford, Washington en Livingston, Louisiana - en volgde op een fusie van zwarte mol op 1,3 miljard lichtjaar afstand. Tot nu toe zijn er vier detecties geweest, die allemaal te wijten waren aan het samengaan van paren van zwarte gaten. Deze vonden plaats op 26 december 2015, 4 januari 2017 en 14 augustus 2017, de laatste werd gedetecteerd door LIGO en de Europese Maagd zwaartekrachtgolfdetector.
Voor de rol die ze speelden bij deze prestatie, werd de helft van de prijs gezamenlijk toegekend aan Caltech's Barry C. Barish - de Ronald en Maxine Linde hoogleraar natuurkunde, Emeritus - en Kip S. Thorne, de Richard P. Feynman hoogleraar theoretische natuurkunde , Emeritus. De andere helft ging naar Rainer Weiss, hoogleraar natuurkunde, emeritus, aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Zoals Caltech-president Thomas F. Rosenbaum - de presidentiële voorzitter van Sonja en William Davidow en hoogleraar natuurkunde - in een recente persverklaring van Caltech zei:
“Ik ben verheugd en vereerd om Kip en Barry, evenals Rai Weiss van MIT, vanmorgen te feliciteren met de toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2017. De eerste directe waarneming van zwaartekrachtgolven door LIGO is een buitengewone demonstratie van wetenschappelijke visie en doorzettingsvermogen. Door vier decennia van ontwikkeling van buitengewoon gevoelige instrumentatie - het vergroten van de capaciteit van onze verbeelding - zijn we nu in staat om een glimp op te vangen van kosmische processen die voorheen niet detecteerbaar waren. Het is echt het begin van een nieuw tijdperk in de astrofysica. ”
Deze prestatie was des te indrukwekkender omdat Albert Einstein, die hun bestaan voor het eerst voorspelde, geloofde dat zwaartekrachtgolven te zwak zouden zijn om te bestuderen. Tegen de jaren zestig leidden de vooruitgang in lasertechnologie en nieuwe inzichten in mogelijke astrofysische bronnen ertoe dat wetenschappers concludeerden dat deze golven daadwerkelijk detecteerbaar zouden kunnen zijn.
De eerste zwaartekrachtgolfdetectoren zijn gebouwd door Joseph Weber, astrofysica van de Universiteit van Maryland. Zijn detectoren, gebouwd in de jaren zestig, bestonden uit grote aluminium cilinders die door trillende zwaartekrachtgolven zouden worden aangedreven om te trillen. Er volgden nog andere pogingen, maar die waren allemaal niet succesvol; een verschuiving naar een nieuw type detector met interferometrie.
Een dergelijk instrument is ontwikkeld door Weiss bij MIT, dat vertrouwde op de techniek die bekend staat als laserinterferometrie. Bij dit soort instrument worden gravitatiegolven gemeten met ver uit elkaar geplaatste en gescheiden spiegels die lasers over lange afstanden reflecteren. Wanneer zwaartekrachtsgolven ervoor zorgen dat de ruimte tot in de kleinste hoeveelheden uitrekt en knijpt, zorgt dit ervoor dat het gereflecteerde licht in de detector minutieus verschuift.
Tegelijkertijd begon Thorne - samen met zijn studenten en postdocs bij Caltech - te werken aan het verbeteren van de theorie van gravitatiegolven. Dit omvatte nieuwe schattingen van de sterkte en frequentie van golven geproduceerd door objecten zoals zwarte gaten, neutronensterren en supernovae. Dit culmineerde in een paper uit 1972 dat Throne samen met zijn student Bill Press publiceerde, waarin hun visie werd samengevat over hoe gravitatiegolven konden worden bestudeerd.
Datzelfde jaar publiceerde Weiss ook een gedetailleerde analyse van interferometers en hun potentieel voor astrofysisch onderzoek. In dit artikel verklaarde hij dat grootschalige operaties - die enkele kilometers of meer groot zijn - een kans zouden kunnen hebben op het detecteren van zwaartekrachtgolven. Hij identificeerde ook de grote uitdagingen voor detectie (zoals trillingen van de aarde) en stelde mogelijke oplossingen voor om deze tegen te gaan.
In 1975 nodigde Weiss Thorne uit om te spreken op een NASA-commissievergadering in Washington, D.C., en de twee brachten een hele nacht door met praten over gravitatie-experimenten. Als resultaat van hun gesprek ging Thorne terug naar Calteh en stelde voor om een experimentele zwaartekrachtgroep op te richten, die zou werken aan interferometers parallel met onderzoekers van MIT, de Universiteit van Glasgow en de Universiteit van Garching (waar soortgelijke experimenten werden uitgevoerd).
De ontwikkeling van de eerste interferometer begon kort daarna bij Caltech, wat leidde tot de creatie van een prototype van 40 meter (130 voet) om de theorieën van Weiss over zwaartekrachtgolven te testen. In 1984 kwam al het werk van deze respectieve instellingen samen. Caltech en MIT vormden, met steun van de National Science Foundation (NSF), de LIGO-samenwerking en begonnen te werken aan de twee interferometers in Hanford en Livingston.
De bouw van LIGO was een grote uitdaging, zowel logistiek als technisch. De zaken werden echter enorm geholpen toen Barry Barish (toen een Caltech-deeltjesfysicus) in 1994 Principal Investigator (PI) van LIGO werd. Na een decennium van vastgelopen pogingen werd hij ook de directeur van LIGO en zette hij de constructie weer op de rails. . Hij breidde ook het onderzoeksteam uit en ontwikkelde een gedetailleerd werkplan voor de NSF.
Zoals Barish aangaf, was het werk dat hij met LIGO deed een droom die uitkwam:
“Ik wilde altijd al experimenteel natuurkundige worden en voelde me aangetrokken tot het idee om doorlopende technologische vooruitgang te gebruiken om fundamentele wetenschappelijke experimenten uit te voeren die anders niet mogelijk waren. LIGO is een goed voorbeeld van wat voorheen niet mogelijk was. Hoewel het een zeer grootschalig project was, waren de uitdagingen heel anders dan de manier waarop we een brug bouwen of andere grote technische projecten uitvoeren. De uitdaging voor LIGO was en is hoe geavanceerde instrumenten op grote schaal kunnen worden ontwikkeld en ontworpen, zelfs als het project evolueert. ”
In 1999 was de bouw van de LIGO-observatoria afgerond en in 2002 begon LIGO met het verzamelen van gegevens. In 2008 is begonnen met de verbetering van de originele detectoren, bekend als het Advanced LIGO Project. Het proces van het ombouwen van het 40 meter lange prototype naar de huidige 4 km (2,5 mijl) interferometers van LIGO was een enorme onderneming en moest daarom in stappen worden opgesplitst.
De eerste stap vond plaats tussen 2002 en 2010, toen het team de eerste interferometers bouwde en testte. Hoewel dit niet tot detecties leidde, demonstreerde het wel de basisconcepten van het observatorium en loste het veel van de technische obstakels op. In de volgende fase, Advanced LIGO genaamd, die tussen 2010 en 2015 plaatsvond, konden de detectoren nieuwe gevoeligheidsniveaus bereiken.
Deze upgrades, die ook onder leiding van Barish plaatsvonden, zorgden voor de ontwikkeling van verschillende sleuteltechnologieën die uiteindelijk de eerste detectie mogelijk maakten. Zoals Barish uitlegde:
“In de beginfase van LIGO gebruikten we, om de detectoren te isoleren van de beweging van de aarde, een ophangsysteem dat bestond uit testmassaspiegels opgehangen aan pianodraad en gebruikten we een meerfasige set passieve schokdempers, vergelijkbaar met die in je auto. We wisten dat dit waarschijnlijk niet goed genoeg zou zijn om zwaartekrachtsgolven te detecteren, dus ontwikkelden we in het LIGO-laboratorium een ambitieus programma voor Advanced LIGO met een nieuw ophangsysteem om de spiegels te stabiliseren en een actief seismisch isolatiesysteem om waar te nemen en te corrigeren grondbewegingen. '
Gezien hoe centraal Thorne, Weiss en Barish stonden bij de studie van zwaartekrachtgolven, werden ze alle drie terecht erkend als de ontvangers van de Nobelprijs voor natuurkunde van dit jaar. Zowel Thorne als Barish kregen bericht dat ze op 3 oktober 2017 in de vroege ochtenduren hadden gewonnen. Als reactie op het nieuws zouden beide wetenschappers de voortdurende inspanningen van LIGO, de wetenschappelijke teams die eraan hebben bijgedragen, en de inspanningen van Caltech en MIT bij het creëren en onderhouden van de observatoria.
"De prijs is terecht van de honderden LIGO-wetenschappers en ingenieurs die onze complexe zwaartekrachtgolfinterferometers hebben gebouwd en geperfectioneerd, en de honderden LIGO- en Maagdwetenschappers die de zwaartekrachtsgolfsignalen in LIGO's lawaaierige gegevens hebben gevonden en de informatie van de golven hebben geëxtraheerd, 'Zei Thorne. "Het is jammer dat, vanwege de statuten van de Nobelstichting, de prijs niet meer dan drie personen mag hebben, wanneer onze geweldige ontdekking het werk is van meer dan duizend."
'Ik voel me vereerd en vereerd om deze prijs te ontvangen', zei Barish. “De detectie van zwaartekrachtsgolven is echt een triomf van de moderne grootschalige experimentele fysica. Gedurende meerdere decennia hebben onze teams bij Caltech en MIT LIGO ontwikkeld tot het ongelooflijk gevoelige apparaat dat de ontdekking heeft gedaan. Toen het signaal LIGO bereikte na een botsing van twee stellaire zwarte gaten die zich 1,3 miljard jaar geleden voordeed, was de 1.000 wetenschappers sterke LIGO Scientific Collaboration in staat om de kandidaatgebeurtenis binnen enkele minuten te identificeren en de gedetailleerde analyse uit te voeren die overtuigend aantoonde dat gravitatiegolven bestaan."
Wat de toekomst betreft, is het ook vrij duidelijk dat Advanved LIGO, Advanced Virgo en andere zwaartekrachtsgolfobservatoria over de hele wereld net beginnen. Naast het detecteren van vier afzonderlijke gebeurtenissen, hebben recente studies aangetoond dat gravitatiegolfdetectie ook nieuwe grenzen zou kunnen openen voor astronomisch en kosmologisch onderzoek.
Zo heeft een recent onderzoek door een team van onderzoekers van het Monash Center for Astrophysics een theoretisch concept voorgesteld dat bekend staat als 'weesgeheugen'. Volgens hun onderzoek veroorzaken zwaartekrachtsgolven niet alleen golven in ruimte-tijd, maar laten ze permanente rimpelingen achter in de structuur. Door de 'wezen' van gebeurtenissen uit het verleden te bestuderen, kunnen gravitatiegolven worden bestudeerd, zowel als ze de aarde bereiken als lang nadat ze zijn gepasseerd.
Bovendien werd in augustus een studie vrijgegeven door een team van astronomen van het Center of Cosmology van de University of California Irvine, waaruit bleek dat fusies van zwarte gaten veel vaker voorkomen dan we dachten. Na een verkenning van de kosmos die bedoeld was om zwarte gaten te berekenen en te categoriseren, stelde het UCI-team vast dat er wel 100 miljoen zwarte gaten in de melkweg zouden kunnen zijn.
Een andere recente studie wees uit dat het Advanced LIGO, GEO 600 en Virgo gravitatiegolf detectornetwerk ook gebruikt zou kunnen worden om de door supernovae gecreëerde gravitatiegolven te detecteren. Door de golven te detecteren die door een ster zijn gecreëerd en tegen het einde van hun levensduur exploderen, kunnen astronomen voor het eerst in de harten van instortende sterren kijken en de mechanica van de vorming van een zwart gat onderzoeken.
De Nobelprijs voor natuurkunde is een van de hoogste onderscheidingen die aan een wetenschapper kan worden toegekend. Maar nog groter dan dat is de wetenschap dat geweldige dingen voortkwamen uit eigen werk. Tientallen jaren nadat Thorne, Weiss en Barish zwaartekrachtsgolfstudies voorstelden en werkten aan de creatie van detectoren, doen wetenschappers van over de hele wereld diepgaande ontdekkingen die een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we denken over het heelal.
En zoals deze wetenschappers zeker zullen beamen, is wat we tot nu toe hebben gezien slechts het topje van de ijsberg. Je kunt je voorstellen dat Einstein ook ergens straalt van trots. Net als bij ander onderzoek met betrekking tot zijn theorie van algemene relativiteitstheorie, toont de studie van gravitatiegolven aan dat zijn voorspellingen zelfs na een eeuw nog steeds geweldig waren!
En bekijk ook zeker deze video van de Caltech-persconferentie waar Barish en Thorn werden geëerd voor hun prestaties:
