De zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO en Virgo staan weer aan. Na de allereerste detectie van een zwaartekrachtgolf in 2015, observeerden de apparaten nog tien van deze trillingen in de ruimtetijd. De afgelopen maanden stonden de detectoren uit voor een technisch stop. In deze periode is de gevoeligheid van LIGO en Virgo flink opgeschroefd. De verwachting is dat ze komend jaar elke twee weken een detectie zullen doen.

Sinds maandag 1 april (geen grap) speuren de detectoren weer samen naar zwaartekrachtgolven. De drie apparaten, twee van LIGO en een Virgo-detector, gaan een jaar lang continu meten. Vierentwintig uur per dag, zeven dagen in de week. ‘Dat wordt spannend’, zegt Gijs Nelemans, hoogleraar sterrenkunde van de Radboud Universiteit en KU Leuven. ‘Het detecteren en analyseren van de golven moet nu echt routine worden.’

De zwaartekrachtgolven waar de apparaten op jagen, ontstaan door heftige kosmische gebeurtenissen, zoals het samensmelten van zwarte gaten of de botsing van twee neutronensterren. Neutronensterren zijn kleine, extreem compacte sterren. Ze wegen net zoveel als de zon, maar hebben een doorsnee van ongeveer twintig kilometer. Botsingen tussen zulke compacte hemellichamen gaan gepaard met zoveel geweld dat de ruimtetijd zelf erdoor gaat golven. Vergelijkbaar met de trilling die ontstaat als je op een pudding slaat.

LIGO-detector in Livingston in de Verenigde Staten.

Spiegels aan glasvezels

Tijdens de technische stop, van augustus 2017 tot april 2019, is de detectieapparatuur verbeterd. Daarmee is de gevoeligheid met vijftig procent toegenomen. Dat betekent dat de afstand waarop de detectoren nu een samensmeltend neutronensterrenpaar kunnen detecteren anderhalf keer zo groot is als voorheen. Deze verbetering is te danken aan verschillende veranderingen in de techniek.

Elke detector bestaat uit twee kilometers lange tunnels die loodrecht op elkaar staan. Als er een zwaartekrachtgolf langskomt, wordt een tunnel tijdelijk iets korter en de andere iets langer. Dit minieme lengteverschil is meetbaar met een techniek waarbij laserstralen in de tunnels heen en weer kaatsen tussen spiegels.

Een van de verbeteringen is dat de spiegels in de Virgo-detector nu aan glasvezels hangen, in plaats van aan stalen kabels. Daardoor zijn er minder metingsverstorende trillingen in de spiegel. Verder wordt er een krachtigere laser gebruikt, wat de metingen preciezer maakt.

Een andere vooruitgang is het continu bundelen van krachten. De detectoren gaan een vol jaar met z’n drieën meten. Daardoor zijn precieze driehoeksmetingen mogelijk die de locatie van de bron van de golven aan de hemel aan het licht kunnen brengen. Die informatie wordt razendsnel (binnen enkele minuten) doorgestuurd naar telescopen. De telescopen kijken vervolgens of de bron van de golven toevallig ook zichtbaar licht of andere straling uitzendt.

Achteraanzicht van een van 42 kilogram zware spiegels van de Virgo-detector die vanaf dit jaar aan vier dunne glasvezels hangt. Bron: EGO/Virgo Collaboration/Perciballi

Meer botsingen

De onderzoekers verwachten dat er, dankzij de technische verbeteringen, tot twee keer per maand een samensmelting van hemellichamen gezien zal worden. ‘De kans is groot dat we iedere maand tot bijna elke twee weken samensmeltende zwarte gaten gaan observeren’, zegt Nelemans.

Verder hopen de onderzoekers voor het eerst het samensmelten van een neutronenster en een zwart gat te zien. ‘We verwachten dat we die het komende jaar zullen meten’, zegt Nelemans. ‘Maar we weten niet hoeveel ervan zijn, dus het is moeilijk te voorspellen.’

Zelf hoopt Nelemans op meer metingen van samensmeltende neutronensterren. Zo’n gebeurtenis is tot nog toe maar een keer eerder gemeten. Dat was wel direct een spectaculaire meting waarbij telescopen ook het bijbehorende elektromagnetische signaal oppikten. Door die informatie te combineren, valt meer te leren over bijvoorbeeld de structuur van neutronensterren. ‘Hoeveel samensmeltende neutronensterren we gaan detecteren is lastig te voorspellen’, zegt Nelemans. ‘Die eerste kan een toevalstreffer geweest zijn.’

Hoe meer zwaartekrachtgolven de detectoren meten, hoe kleiner de statistische onzekerheid op de metingen. Met preciezere metingen kunnen onderzoekers meer te weten komen over bijvoorbeeld de massaverdeling van zwarte gaten en neutronensterren. De golven kunnen ook inzichten bieden in andere vraagstukken in de natuur- en sterrenkunde, bijvoorbeeld over de uitdijing van het heelal. Genoeg reden dus om LIGO en Virgo komend jaar in de gaten te houden.

Impressie van botsende neutronensterren. Beeld: NASA/Dana Berry.