De jacht op zwaartekrachtgolven: trillingen temmen in ondergrondse Einsteintelescoop
Leidse wetenschappers en bedrijven ontvangen 1,37 miljoen euro om technologie voor de Einsteintelescoop te ontwikkelen. Deze ondergrondse telescoop gaat zwaartekrachtgolven meten en moet dus extreem gevoelig zijn. Het consortium doet daarom onderzoek naar het dempen van trillingen bij temperaturen rond het absolute nulpunt.
Het is wereldnieuws in 2016: voor het eerst meten onderzoekers zwaartekrachtsgolven die Einstein 100 jaar daarvoor al voorspelde. En daarmee begint het verhaal pas net. ‘De Einsteintelescoop gaat nog veel gevoeligere metingen doen’, vertelt Bas Hensen, quantumonderzoeker bij het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION).
Die eerste detectie kwam van twee botsende zwarte gaten. ‘Die draaiden steeds sneller om elkaar heen tot ze uiteindelijk samensmolten’, legt Hensen uit. ‘Als je die data omzet in geluid, hoor je een korte, steeds hogere toon. Met de Einsteintelescoop zou je al veel eerder een laag gebrom horen.’ Die is namelijk een stuk gevoeliger voor lage frequenties. Daardoor kun je zwaartekrachtgolven eerder detecteren en van meer verschillende bronnen.
Grootse plannen onder de grond
Zwarte gaten horen botsen of neutronensterren doorgronden? Dat was tot niet zo lang geleden ongekend, maar de Einsteintelescoop kan het naar verwachting allemaal. Deze telescoop wordt Europa’s meest geavanceerde observatorium voor zwaartekrachtsgolven. Het is de opvolger van de Amerikaanse detector LIGO, die de eerste detectie in 2015 deed. Afstanden krimpen en rekken haast onmeetbaar wanneer een zwaartekrachtgolf voorbij komt. Met drie gangen van elk tien kilometer lang die zich 250 tot 300 meter onder het aardoppervlak bevinden, wordt de Einsteintelescoop enorm. Regio Zuid-Limburg hoopt het observatorium te mogen huisvesten samen met Duitsland en België. De bouw vindt plaats tussen 2028 en 2035.
Hoe detecteer je zo’n minuscuul effect?
In dat lage frequentiebereik heb je meer last van trillingen die ruis in de data veroorzaken. Om dat tegen te gaan komt de telescoop diep onder de grond en hangen de spiegels aan veren. ‘Maar dat is niet genoeg’, aldus Hensen. ‘Daarom gaan ze de spiegels ook koelen.’
'Dit project ontstaat dankzij de bruisende samenwerking tussen wetenschap en bedrijfsleven in en rond Leiden.'
Dat brengt uitdagingen met zich mee, vertelt Tjerk Oosterkamp, hoogleraar Experimentele Natuurkunde bij het LION. ‘Het koelapparaat introduceert zelf ook weer trillingen die we moeten compenseren. In Leiden hebben we dankzij ons quantumonderzoek veel kennis over het dempen van trillingen bij extreem koude temperaturen.’ Een van de technologieën waar Oosterkamp aan werkt betreft een zwevend deeltje dat trillingen meet. ‘Als je precies weet wat voor trillingen er zijn, kun je ze ook beter onderdrukken.’
Het projectvoorstel bouwt tevens verder aan een bestaande samenwerking tussen LION en Nikhef. Kees van Oosten en Hugo van Bohemen van de Fijn Mechanische Dienst en Milan Allan en zijn groep werkten hiervoor aan een opstelling waarin een gewicht aan veren hangt om trillingen te dempen (zie foto van het prototype).
Om gevoelige microscopie bij koude temperaturen mogelijk te maken werd door Nikhef ontwikkelde trillings-isolatie getest in een cryostaat, feitelijk een geavanceerde koelkast, om te kijken hoe goed dit bij koude temperaturen werkt. Dat kan uiteindelijk ook toegepast worden in de spiegelophanging van de Einsteintelescoop. Hensen: ‘Maar dit helpt zeker ook ons eigen onderzoek verder.’
Bruisend wetenschappelijk- en bedrijfsleven rondom Leiden
Het lokale quantumbedrijf Onnes Technologies leidt het project en houdt zich bezig met het integreren van zulke trillingsdempende technologieën in cryostaten. ‘In dit project zullen wij de ontwikkelde technologie op de markt brengen. Dan kunnen anderen er ook mee aan de slag en nieuwe toepassingen ontdekken. Zo zorgen we dat de investeringen die gedaan worden in onderzoek uiteindelijk ook de Nederlandse economie doen groeien’, zegt CEO Max Kouwenhoven. ‘We werken heel graag mee aan een project dat zo gigantisch impactvol kan zijn voor ons begrip van de natuurkunde en het universum.’
De derde Leidse partner is SRON, het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek. Zij maken complexe cryogene instrumenten, vertelt wetenschapper Luciano Gottardi. ‘We ontwikkelen bijvoorbeeld supergeleidende sensoren voor ruimtetelescopen, die ook in de Einsteintelescoop en quantumonderzoek kunnen worden toegepast.’ Gottardi is in Leiden gepromoveerd en heeft naar eigen zeggen een diepe passie om cryogene detectoren voor zwaartekrachtgolven te ontwikkelen. ‘Dit project ontstaat dankzij de bruisende samenwerking tussen wetenschap en bedrijfsleven in en rond Leiden. Ik word daar ontzettend blij van.’
Hensen kijkt ten slotte ook uit naar de samenwerking met Nikhef. ‘Ik denk dat we veel van elkaar kunnen leren. Er komt onder andere een gedeelde PhD-positie, die persoon kan zich volledig aan dit project wijden.’ Oosterkamp deelt zijn enthousiasme: ‘Bij Nikhef krijgen ze met behulp van simulaties goede trillingsdemping voor elkaar bij kamertemperatuur. Dat wil ik toepassen bij koude temperaturen, daar valt nog veel te optimaliseren.’
Dit project is een samenwerking tussen de Universiteit Leiden, Onnes Technologies (hoofdaanvrager), SRON, Nikhef, JPE, Piak Electronic Design, Delft Circuits & Magnetic Innovations.