In mei 2011 stelden Europese wetenschappers hun ontwerpstudie voor van een revolutionaire gravitatiedetector om zwarte gaten en de oorsprong van het universum te onderzoeken. Het innovatieve observatorium zal toelaten om precisiemetingen uit te voeren met gravitatiegolven, uiterst kleine rimpels in het weefsel van ruimtetijd, waarvan voorspeld is dat ze ontstaan uit kosmische catastrofen zoals samensmeltende zwarte gaten, botsende neutronensterren en ineenstortende supernovae.
Het Einstein Observatorium (ET) is een zogenaamde derdegeneratie-gravitatiegolf-detector, die honderd keer gevoeliger is dan de huidige instrumenten. Net zoals de eerste twee generaties detectoren, zal ook ET gebaseerd zijn op de meting van minieme veranderingen (kleiner dan een atoomkern) in de lengtes van de twee, kilometers lange, verbonden armen, veroorzaakt door een passerende gravitatiegolf. Laserbundels in de armen slaan het periodieke uitrekken en krimpen op als interferentiepatronen in de centrale detector.
De eerste generatie van deze interferometrische detectoren die een paar jaar geleden gerealiseerd is (GEO600 in Sarstedt - Duitsland, LIGO in Louisiana - VSA, Virgo in Cascina - Italië en TAMA in Japan), heeft met succes het principe gedemonstreerd, maar detectie van gravitatiegolven werd niet verwacht. De volgende generatie (Advanced LIGO en Advanced Virgo), die nu gebouwd wordt, zou de eerste directe detectie van gravitatiegolven mogelijk moeten maken, bijvoorbeeld van een paar naar elkaar toe roterende zwarte gaten of neutronensterren. Een dergelijke ontdekking zou het nieuwe onderzoeksveld van gravitatiegolf-astronomie aankondigen. Deze detectoren zullen echter niet gevoelig genoeg zijn om precieze astronomische studies van gravitatiegolfbronnen te kunnen uitvoeren.
Dergelijke metingen onthullen elk eventueel mankement in het zo solide en succesvolle bouwwerk van Einsteins algemene relativiteitstheorie en zullen ons de weg wijzen naar de echte theorie van gravitatie. Deze verenigt de principes van relativiteit met kwantummechanica. Omdat gravitatiegolven praktisch zonder verzwakking doordringen in alle gebieden van ruimte en tijd, kan ET golven meten afkomstig van gebieden met de grootste materiedichtheid, de vroegste stadia van de Big Bang, en de meest extreme krommingen van ruimtetijd.”
Artistieke impressie van de Einstein Telescoop - Foto: NIKHEF
De nieuwe Einstein Telescoop is een verzameling interferometers met elk 10 km lange armen, die ondergronds bedreven wordt in een ultrahoog vacuüm en cryogene omgeving, waarbij rekening werd gehouden met geologie, seismische activiteit, optische-, vacuüm- en cryosystemen. Eén interferometer zal laagfrequentie-gravitatiegolfsignalen (2 tot 40 Hz) detecteren, terwijl de andere de hoogfrequente componenten meet. De configuratie is zo ontworpen dat het observatorium verder ontwikkeld kan worden door toekomstige verbeteringen te implementeren.
De ontwerpstudie, die gepresenteerd wordt op het terrein van de European Gravitational Observatory (EGO) in Pisa, Italië, schetst ET’s wetenschappelijke doelen, de detectorconfiguratie en -technologie, maar ook de tijdschaal en de geschatte kosten. De indrukwekkende gevoeligheid zal bereikt worden door ET ondergronds te bouwen, op een diepte van 100 tot 200 meter. Dit om de effecten van resterende seismische bewegingen te reduceren. Ook maakt de ondergrondse locatie het mogelijk om grotere gevoeligheden bij lage frequenties (tussen 1 en 100 hertz (Hz)) te bereiken. Met ET kunnen gravitatiegolven in het hele frequentiegebied dat op aarde meetbaar is – tussen 1 Hz en 10 kHz – gedetecteerd worden. “Een observatorium met een dergelijk gevoeligheidsniveau zal de detectie van gravitatiegolven transformeren tot een routinematig bruikbaar astronomisch instrument. ET zal leiden tot een wetenschappelijke revolutie”, zegt Michele Punturo, de wetenschappelijk coördinator van de ontwerpstudie. Een belangrijk doel is om informatie over gravitatiegolven te leveren, die de waarnemingen van telescopen die elektromagnetische straling (van radiogolven tot gammastraling) meten en andere instrumenten die hoge-energiedeeltjes uit de ruimte detecteren (astrodeeltjesfysica) aanvullen.
De Europese Commissie (EC) ondersteunde de ontwerpstudie met een subsidie van drie miljoen euro, waarmee Europa het belang van gravitatiegolfonderzoek en technlogische vooruitgang in de verf zet.
Bovendien zorgde de EC voor een gezamenlijk kader voor de betrokken Europese wetenschappers in de zoektocht naar gravitatiegolven.
ET is een project dat als een van de 'Magnificent Seven' Europese projecten aanbevolen wordt door het ASPERA-netwerk voor de toekomstige ontwikkeling van astrodeeltjesfysica in Europa. Het zou een cruciaal deel van de Europese onderzoeksinfrastructuur en een fundamentele hoeksteen in de realisatie van de European Research Area vormen.
