Vacuümtechnologie helpt bij het bewijzen van zwarte gaten

Vacuümtechnologie helpt te bewijzen dat er zwarte gaten zijn

bron van de foto : Event Horizon Telescope Collaboration

Om 21.00 uur op 10 april 2019 organiseerde het EventHorizon Telescope (EHT) -project een gelijktijdige persconferentie op zes locaties over de hele wereld, waaronder Brussel, San Diego, Shanghai, Taipei, Tokio en Washington.

Wat is een zwart gat?

Zwart gat is een soort hemellichaam in de moderne algemene relativiteitstheorie. De zwaartekracht van het zwarte gat is zo groot dat de ontsnappingssnelheid binnen de gebeurtenishorizon groter is dan de snelheid van het licht. Een zwart gat is een object waarvan de kromming zo groot is dat het licht niet kan ontsnappen uit de horizon van het evenement.

In 1916 wordt de Duitse astronoom Karl schwarzschild Einstein-gravitatieveldvergelijking verkregen door een vacuüm in de oplossing te berekenen, de oplossing toont aan dat als een beetje om een grote hoeveelheid materiaal in de ruimte te concentreren, de omgeving vreemde fenomenen zal produceren, die rondom het deeltje voorkomen een interface - de "event-horizon" eenmaal in de interface, zelfs licht kan ontsnappen. Het 'ongelooflijke object' werd door de Amerikaanse natuurkundige John Archibald Wheeler een 'zwart gat' genoemd.

Wat zijn zwaartekrachtsgolven?

Gravitatiegolven worden geproduceerd wanneer massieve objecten zoals neutronensterren of zwarte gaten versnellen en om elkaar heen draaien. Wanneer ze botsen, reizen ze dicht bij de snelheid van het licht. Terwijl ze in een baan ronddraaien, stralen de zwaartekrachtsgolven die ze uitzenden samen en strekken ze de ruimte uit, waardoor ruimte-tijd wordt vervormd. De vervorming is extreem klein en trillend. Figuurlijk gesproken is het vergelijkbaar met de rimpelingen op het water veroorzaakt door een steen die in het water wordt gegooid.

In september 2015 heeft de LIGO (Laser Interferometer Gravitation WaveObservatory) in Louisiana en de staat Washington in de Verenigde Staten eerst gravitatiegolven direct op aarde gedetecteerd, waarmee Einstein's theorie van de limiet van een sterk zwaartekrachtveld bij de bron werd bevestigd en een doorbraak in de astrofysica werd. Vacuümtechnologie speelde een sleutelrol in de spectaculaire metingen van LIGO. Het universele vacuümschema omvat het meten van LIGO en gerelateerde basisexperimenten.

E = MC2: dit is waarschijnlijk de beroemdste formule in de natuurkunde. Het maakt deel uit van de relativiteitstheorie geformuleerd door Albert Einstein in 1905 en beschrijft de gelijkwaardigheid van massa en energie. Jaren later breidde de wereldberoemde fysicus zijn waarnemingen uit naar de zwaartekracht en beschreef wiskundig het bestaan van gravitatiegolven als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1915. Al 100 jaar lang wordt de theorie aanvaard door natuurkundigen. Met de hulp van waarnemingscentra voor laserinterferometers in Washington en Louisiana, hebben wetenschappers voor het eerst de straling kunnen detecteren die wordt geproduceerd wanneer een paar zwarte gaten botsen. Vervolgens werd het bestaan van een dubbel zwart gatenstelsel bevestigd en werd aangetoond dat de dynamiek van Einstein de vergelijkingen volgde.

Opmerkelijk bewijs voor de theorie van Einstein

In september 2015 ontdekte LIGO voor het eerst zwaartekrachtsgolven door het samensmelten van twee zwarte gaten in een melkweg op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar. Dit bevestigde niet alleen de theorie van Einstein, maar deze bevindingen zijn de eerste om het bestaan van gepaarde zwarte gaten te bevestigen. Voor onderzoekers markeert de ontdekking een nieuw tijdperk in de astronomie, vergelijkbaar met het astronomische werk dat Galileo in de 17e eeuw begon.

In september 2015 ontdekte LIGO voor het eerst zwaartekrachtsgolven door het samensmelten van twee zwarte gaten in een melkweg op een afstand van 1,3 miljard lichtjaar. Dit bevestigde niet alleen de theorie van Einstein, maar deze bevindingen zijn de eerste om het bestaan van gepaarde zwarte gaten te bevestigen. Voor onderzoekers markeert de ontdekking een nieuw tijdperk in de astronomie, vergelijkbaar met het astronomische werk dat Galileo in de 17e eeuw begon.

De detector werkt op Michelson-interferometers. In een interferometer wordt een laserstraal gescheiden door een straalsplitser en zo lang mogelijk door een optisch spiegelsysteem geleid door twee optische paden. De laserstraal wordt vervolgens in de detector gecombineerd. Op deze manier kan het minimale tijdverschil van de vlucht van de laserstraal geproduceerd door de zwaartekrachtgolf worden gemeten. Zelfs in een spiegel op 4 km afstand, laten zwaartekrachtsgolven de laserstralen variëren in afstand met slechts een duizendste (10-18 m) van de grootte van een kern.

'zwarte gaten' produceren 'zwaartekrachtsgolven'
Vacuümtechnologie bevestigt het bestaan van gravitatiegolven!

Vacuümtechnologie van Pfeiffer Vacuum , dat wordt gebruikt in het LIGO-experiment, is nodig om het bestaan van gravitatiegolven op aarde te bevestigen. Om de normale functie te garanderen, mogen de twee lichtpaden van de laser niet worden verstoord. Dientengevolge worden laserstralen en optische spiegels in een ultrahoogvacuümsysteem geplaatst. Om de kwaliteit en betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen, zodat het experiment soepel kan worden afgerond, heeft het tot tien jaar voorbereiding nodig. Als onderdeel van deze voorbereiding is fundamenteel onderzoek uitgevoerd bij natuurkundige instituten over de hele wereld om zich voor te bereiden op gravitatiegolfexperimenten.

Het universele vacuüm biedt een vacuüm voor veel van deze basisexperimenten. Het vacuüm in de LIGO-sonde wordt ook gecontroleerd door het PVD-analysesysteem. Universeel vacuüm HiPace-moleculaire pompen en massaspectrometers worden gebruikt om de kwaliteit te waarborgen en lekken te detecteren voor de diagnose van bakken met grote straalbuizen. Deze apparaten worden gebruikt om de noodzakelijke vacuümomstandigheden in het leidingsysteem te handhaven en de noodzakelijke omgevingsomstandigheden te bieden voor succesvolle experimenten .

In het algemeen, welke rol speelde vacuümtechnologie in het experimentele werk van LIGO?

In een cantilever van 4 km is een vacuüm met een niveau lager dan 10-9 torr vereist om de faseruis in de uitvoer van de interferometer te voorkomen die wordt veroorzaakt door de voorwaartse verstrooiing van restgasmoleculen. De meest ernstige faseruis komt van macromoleculen, die sterk gepolariseerd zijn en langzaam bewegen.

In de testmassakamer is een vacuüm van minder dan 10-8 torr vereist om de momentumfluctuatie van de testmassa veroorzaakt door de botsing van resterende gasatomen te voorkomen. Evenzo maken zwaardere atomen meer geluid dan lichtere.

Aan welke specifieke eisen moet het vacuümsysteem voldoen?
Naast de bovengenoemde drukvereisten moet het vacuümsysteem gedurende verschillende maanden op betrouwbare wijze werken. Ook mag de vibratie van de vacuümpomp geen invloed hebben op de testkwaliteit.

Het bestaan van zwaartekrachtsgolven is bevestigd, en daarmee de relativiteitstheorie van Einstein. Wat betekent dit voor het experimentele werk van LIGO? Hoe zal het werken?
Grote doelen zijn nog niet bereikt. Slechts een kleine stap voorwaarts. Met verbeterde ontwerpnauwkeurigheid zal LIGO het veld van zwaartekrachtgolfastronomie openen. Dit is een nieuw gebied in astrofysica, dat het donkere universum onderzoekt door zwaartekrachtsgolven te observeren die worden uitgezonden door de materie in het hele universum te versnellen. We weten dat er dubbele black hole-systemen en neutronensterren zijn. Maar ze moeten nog worden geleerd. De massaspectra van zwarte gaten zullen informatie verschaffen over hun structuur en hun belang in de astronomie onthullen. Neutronensterren geven ons een vergelijking voor de toestand van nucleaire materie en kunnen ons vertellen hoe zware elementen zich in het universum vormen. Als we een supernova zouden kunnen waarnemen, zouden de zwaartekrachtsgolven het innerlijke proces van instorting van de ster onthullen. Er kunnen nieuwe bronnen van gravitatiegolven zijn waar we nog niet aan gedacht hebben.