Vandaag (30 november), wetenschappers hebben de dubbele detectoren van LIGO opnieuw opgestart, de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, nadat verschillende verbeteringen aan het systeem zijn aangebracht. Over het laatste jaar, ze hebben verbeteringen aangebracht aan de lasers van LIGO, elektronica, en optica die de gevoeligheid van het observatorium met 10 tot 25 procent hebben verhoogd. De detectoren, wetenschappers hopen, zullen zich nu kunnen afstemmen op zwaartekrachtsgolven - en de extreme gebeurtenissen waaruit ze voortkomen - die van verder weg in het universum komen.

Op 14 september 2015, LIGO's detectoren maakten de allereerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven, slechts twee dagen nadat wetenschappers het observatorium herstartten als Advanced LIGO - een verbeterde versie van LIGO's twee grote interferometers, een in Hanford, Washington, en de andere 3, 000 kilometer verderop in Livingston, Lousiana. Na analyse van het signaal, wetenschappers hebben vastgesteld dat het inderdaad een zwaartekrachtgolf was, die ontstond uit de samensmelting van twee massieve zwarte gaten op 1,3 miljard lichtjaar afstand.

Drie maanden later, op 26 december 2015, de detectoren pikten een ander signaal op, die wetenschappers hebben gedecodeerd als een tweede zwaartekrachtgolf, kabbelend voort uit weer een nieuwe samensmelting van zwarte gaten, iets verder weg in het heelal, 1,4 miljard lichtjaar verwijderd.

Nu met de nieuwste upgrades van LIGO, leden van de LIGO Scientific Collaboration hopen meer frequente signalen van zwaartekrachtsgolven te detecteren, ontstaan ​​door botsende zwarte gaten en andere extreme kosmische verschijnselen. MIT News sprak met Peter Fritschel, de associate director voor LIGO bij MIT, en LIGO's hoofddetectorwetenschapper, over de nieuwe kijk van LIGO.

V:Wat voor soort wijzigingen zijn er aan de detectoren aangebracht sinds ze offline zijn gegaan?

A:Er waren verschillende soorten activiteiten bij de twee observatoria. Met de detector in Livingston, Louisiana, we hebben veel werk gedaan in het vacuümsysteem, vervanging of toevoeging van nieuwe componenten. Als voorbeeld, elke detector bevat vier testmassa's die reageren op een passerende zwaartekrachtgolf. Deze testmassa's zijn gemonteerd in complexe ophangsystemen die ze isoleren van de lokale omgeving. Eerdere tests hadden aangetoond dat twee van de trillingsmodi van deze ophangingen zo konden oscilleren dat de detector niet met zijn beste gevoeligheid zou werken. Dus, we hebben een aantal afgestemde, passieve dempers om de trillingsamplitude van deze modi te verminderen. Dit zal de Livingston-detector helpen om gedurende een groter deel van de duur van de gegevensrun op zijn maximale gevoeligheid te werken.

Op de Hanford, Washington, detector, het grootste deel van de inspanning was gericht op het vergroten van het laservermogen dat in de interferometer is opgeslagen. Tijdens de eerste observatieronde we hadden ongeveer 100 kilowatt laservermogen in elke lange arm van de interferometer. Sindsdien hebben we eraan gewerkt om dit met een factor twee te verhogen, om 200 kilowatt vermogen in elke arm te bereiken. Dit kan behoorlijk moeilijk zijn omdat er thermische effecten en optisch-mechanische interacties zijn die optreden als het vermogen wordt verhoogd, en sommige hiervan kunnen instabiliteiten veroorzaken die getemd moeten worden. We zijn er zelfs in geslaagd om dit soort problemen op te lossen en hebben de detector kunnen bedienen met 200 kilowatt in de armen. Echter, waren er andere problemen die gevoeligheid kosten, en we hadden geen tijd om deze op te lossen, dus we werken nu met 20 tot 30 procent meer vermogen dan we hadden tijdens de eerste waarnemingsrun. Deze bescheiden vermogenstoename geeft een kleine maar merkbare toename van de gevoeligheid voor gravitatiegolffrequenties hoger dan ongeveer 100 hertz.

We hebben ook veel belangrijke informatie verzameld die zal worden gebruikt om de volgende inbedrijfstellingsperiode van de detector te plannen, die zal beginnen aan het einde van deze observatieperiode van zes maanden. We hebben nog veel uitdagend werk voor de boeg om tot onze definitieve ontwerpgevoeligheid te komen.

V:Hoe gevoelig is LIGO met deze nieuwe verbeteringen?

A:De metriek die we het meest gebruiken, is de gevoeligheid voor zwaartekrachtsgolven die worden geproduceerd door de samensmelting van twee neutronensterren, omdat we gemakkelijk kunnen berekenen wat we van zo'n systeem zouden moeten zien - maar merk op dat we nog geen zwaartekrachtsgolven hebben gedetecteerd van een fusie tussen neutronenster en neutronenster. De Livingston-detector is nu gevoelig genoeg om een ​​fusie te detecteren van wel 200 miljoen parsecs (660 miljoen lichtjaar). Dit is ongeveer 25 procent verder dan het kon "zien" tijdens de eerste waarnemingsrun. Voor de Hanford-detector is het overeenkomstige gevoeligheidsbereik vrijwel gelijk aan wat het was tijdens de eerste run en ongeveer 15 procent lager dan deze cijfers.

Natuurlijk ontdekten we in de eerste waarnemingsrun de samensmelting van twee zwarte gaten, geen neutronensterren. De gevoeligheidsvergelijking voor samensmeltingen van zwarte gaten is niettemin ongeveer hetzelfde:vergeleken met de waarnemingsrun van vorig jaar, de Livingston-detector is ongeveer 25 procent gevoeliger en de Hanford-detector is ongeveer hetzelfde. Maar zelfs kleine verbeteringen in gevoeligheid kunnen helpen, aangezien het volume van de ruimte wordt gesondeerd, en dus de snelheid van detectie van zwaartekrachtgolven, groeit als de kubus van deze afstanden.

V:Wat hoop je te "horen" en te ontdekken, nu LIGO weer online is?

A:We verwachten zeker meer fusies van zwarte gaten te detecteren, wat nog steeds een zeer opwindend vooruitzicht is. Bedenk dat we in de eerste run twee van dergelijke binaire fusies van zwarte gaten ontdekten en sterk bewijs zagen voor een derde fusie. Met de bescheiden verbetering in gevoeligheid en het plan om meer gegevens te verzamelen dan voorheen, we moeten onze kennis over de populatie van zwarte gaten in het heelal vergroten.

We zouden ook graag zwaartekrachtsgolven van de samensmelting van twee neutronensterren willen detecteren. We weten dat deze systemen bestaan, maar we weten niet hoe vaak ze voorkomen, dus we weten niet zeker hoe gevoelig we moeten zijn om ze te zien. Fusies van binaire neutronensterren zijn interessant omdat (onder andere) wordt aangenomen dat ze de producenten en distributeurs zijn van de zware elementen, zoals de edele metalen, die in onze melkweg bestaan.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.