Lichtlab – interferometrie

Lichtlab – interferometrie

Enkele jaren geleden, 14 september 2015 om precies te zijn, werden voor het eerst zwaartekrachtgolven waargenomen met zeer gevoelige apparaten, de LIGO interferometers in de USA. 100 jaar eerder werd het bestaan van zwaartekrachtgolven voorspeld door Albert Einstein in zijn Algemene Relativiteitstheorie. Maar Einstein schreef er meteen bij dat de effecten zo klein waren dat men die wel nooit zouden kunnen meten.

Dat het nu toch mogelijk is zwaartekrachtgolven waar te nemen is enerzijds het gevolg van voor Einstein niet voorstelbare ontwikkelingen in de meettechniek en anderzijds dat er wel heel sterke bronnen van zwaartekrachtgolven zijn.

De bronnen zijn snel om elkaar heen draaiende zwarte gaten, elk met een massa van tientallen malen die van onze zon, die door het uitzenden van zwaartekrachtsgolven energie verliezen en steeds dichter bij elkaar komen en tenslotte botsen en opgaan in een zwaarder zwart gat. De zwaartekrachtgolven die zij uitzenden laten de ruimte een beetje krimpen en uitzetten.

Samensmeltende zwarte gaten

De meettechniek die gebruikt wordt om het krimpen en uitzetten van de ruimte te meten heet interferometrie. Hierbij wordt de afstand tussen twee spiegels heel nauwkeurig gemeten. Meer precies: het verschil in afstand tussen meerdere spiegels wordt met grote precisie bepaald. 

Einstein was al bekend met de interferometrie, immers Einstein bouwde zijn relativiteitstheorie op de waarneming dat de snelheid van het licht altijd dezelfde is, en er niet ervan afhangt of de bron die het licht uitzendt stil staat of beweegt en ook niet of degene die het licht waarneemt stil staat of beweegt. Het experiment werd in 1887 uitgevoerd door twee natuurkundigen, Michelson en Morley, met een interferometer. Zij namen waar dat de beweging van de aarde, met bijna 30 kilometer per seconde, geen meetbaar effect heeft op de lichtsnelheid. Dit type interferometer heet naar de eerste bouwer een Michelson-interferometer.

In het LichtLab is er een Michelson-interferometer te zien, waarmee het principe van de meting wordt gedemonstreerd.

Het licht van een laser wordt door middel van een halfdoorlatende spiegel in twee bundels gesplitst. De lichtbundels gaan naar twee spiegels die het licht terugkaatsen. De teruggekaatste bundels worden door de halfdoorlatende spiegel gecombineerd en vallen samen op een scherm. Omdat licht een golfverschijnsel is het belangrijk of de golftoppen van beide bundels samenvallen of dat juist een golftop samenvalt met een golfdal van de andere bundel. Het licht van de beide bundels is in-fase (golftoppen vallen samen) of uit-fase (golftop valt samen met golfdal); in het eerste geval is er veel licht in het andere geval niets. Dit verschijnsel heet interferentie.

Een kleine beweging van één van de spiegels is voldoende om het faseverschil zoveel te veranderen dat het zichtbaar is. Het geluid van een stem is daarvoor al genoeg. Om het meetsignaal gemakkelijker zichtbaar te maken wordt een divergerende (uitwaaierende)  bundel gebruikt. Hierdoor is op het scherm een patroon van lichte en donkere ringen zichtbaar. Bij verandering van de lichtweg lijken de ringen in te krimpen of uit te zetten.

De interferometers voor het meten van zwaartekrachtgolven zijn extreem veel gevoeliger dan de interferometer in het Lichtlab en ook dan de Interferometer waarmee Michelson en Morley hun experimenten deden.

De interferometers, twee in de USA (LIGO) en één in Europa (Virgo), staan in kilometers lange vacuümbuizen waarin het licht honderden malen heen en weer gaat; zodat de lichtweg in elk van de armen meer dan 1000 kilometer is. Ook is extreme zorg besteed aan het elimineren van trillingen die de meting zouden verstoren.


Images courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory (https://www.ligo.org/science/Publication-S6PE/)

Reageren is niet mogelijk.