Het oplossen van een storing in een wetenschappelijk project van miljoenen dollars betekent meestal dat er nog eens miljoenen moeten worden uitgegeven. Of iets geheel nieuws bedenken.
Deze keer niet.
Wetenschappers die aan de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (LIGO) werkten, hebben een oplossing gevonden voor een aanhoudende technische hoofdpijn door iets te gebruiken dat je online zou kunnen kopen. Een kant-en-klare warmtebeeldcamera.
Het klinkt bijna te simpel voor een faciliteit die is ontworpen om rimpelingen in de ruimtetijd te detecteren die worden veroorzaakt door botsende zwarte gaten. Maar dat is precies wat een team onder leiding van Jonathan Richardson van de University of California, Riverside heeft gedaan.
Hoe thermische beeldvorming spiegelvervormingen in LIGO corrigeert
LIGO luistert naar de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum. Wanneer twee zwarte gaten tegen elkaar botsen, sturen ze schokgolven door de ruimte-tijd. Deze zwaartekrachtgolven gaan door de aarde, waarbij ze de ruimte zelf in microscopisch kleine hoeveelheden uitrekken en samendrukken.
In de dubbele L-vormige faciliteiten van LIGO in Washington en Louisiana reizen laserstralen door tunnels van 4 km lang. Ze weerkaatsen zo perfect tegen spiegels dat ze 99,9997% van het licht reflecteren dat erop valt. De zuiverheid van deze spiegels is verbluffend. Ze behoren tot de beste optische componenten ooit gemaakt.
Maar perfectie heeft een prijs. Zelfs de beste spiegels absorberen een klein deel van de laserenergie. Die energie wordt omgezet in warmte.
Door de hitte vervormt het oppervlak van de spiegel slechts enkele nanometers. Het is een microscopische vervorming, maar het vervormt de laserstraal. Dit beperkt hoe ver LIGO kan ‘zien’. Of beter gezegd, in hoeverre het kan ‘horen’.
Het team van Richardson combineerde commerciële thermische camera’s met computermodellen. Ze maakten een kaart van de hittevervormingen op de spiegels. Zie het als het diagnosticeren van een automotor door de temperatuur ervan te scannen. Je ziet de hotspots aan de buitenkant. Je concludeert wat er binnenin gebeurt.
Met deze kaart kunnen natuurkundigen gerichte warmte op de achterkant van de spiegel aanbrengen. Dit gaat het kromtrekken tegen. De laserstraal blijft helder. De gevoeligheid verbetert.
“Er is geen nieuwe technologische ontwikkeling voor nodig. Dat is bijna ongehoord voor het oplossen van een LIGO-instrumentprobleem.”
Waarom deze upgrade het bereik van LIGO met 33 miljoen lichtjaar vergroot
Waarom is een betere spiegel belangrijk?
De ruimte is driedimensionaal. Wanneer u uw bereik in één richting uitbreidt, groeit uw observatievolume exponentieel.
De oplossing van Richardson vergroot het effectieve bereik van LIGO met ongeveer 33 miljoen lichtjaar.
Dat aantal lijkt misschien klein in vergelijking met de schaal van de kosmos. Maar qua data? Het is enorm. Een iets groter venster betekent veel meer detecteerbare gebeurtenissen. Astronomen zullen meer samensmeltingen van zwarte gaten waarnemen. Meer botsingen met neutronensterren. Het universum wordt luider.
Dit is niet alleen een patchjob voor bestaande apparatuur. Het is een blauwdruk voor de toekomst.
De techniek is al ingebakken in het ontwerp van Cosmic Explorer. Dit observatorium van de volgende generatie mikt op medio 2030. Zijn armen zullen zich 40 kilometer uitstrekken – tien keer langer dan die van LIGO.
Als de oplossing van LIGO diepte toevoegt, streeft Cosmic Explorer naar een tienvoudige toename van de algehele gevoeligheid. De belangrijkste vijand daar is niet alleen hitte. Het is kwantumruis. De fundamentele vaagheid van de natuurkunde die de meetprecisie beperkt. Maar het onder controle krijgen van de thermische vervormingen is stap één.
Is commerciële technologie beter voor gevoelige wetenschappelijke instrumenten?
Er is troost in het alledaagse. Een standaard thermische camera kost centen vergeleken met R&D-budgetten. Het is beschikbaar. Het is bewezen.
LIGO’s afhankelijkheid van kant-en-klare hardware draait het script om naar hightech elitarisme. Soms is het beste gereedschap niet het gereedschap dat helemaal opnieuw in een laboratorium is gebouwd. Het is degene die al op een plank staat.
De oplossing is klaar. Het zal deel uitmaken van LIGO’s volgende upgradecyclus. Dan gaat het naar Cosmic Explorer.
De spiegels zijn nog warm. De gegevens komen nog steeds binnen. Maar nu weten we waar we de hitte moeten zoeken. En zodra u de vervorming ziet, kunt u deze herstellen.
Er blijft één vraag over. Welke andere kosmische geheimen gaan schuil achter thermische ruis?
