Rainer Weiss: 50 jaar LIGO en zwaartekrachtgolven

Nuchter, bescheiden en enthousiast om zijn onderzoek te bespreken, is natuurkundige Rainer Weiss opmerkelijk gemakkelijk om mee te praten. Vijf jaar geleden verdiende zijn werk hem de helft van de 2017 Nobelprijs voor Natuurkunde, terwijl de andere helft naar Barry Barish en Kip Thorne gaat, voor “beslissende bijdragen aan de LIGO-detector en de observatie van zwaartekrachtgolven”. Het in de VS gevestigde Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Dit is de plek waar zwaartekrachtsgolven voor het eerst werden waargenomen in 2015, waarmee definitief de laatst overgebleven ongeteste voorspelling uit de eeuwenoude algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein werd bevestigd.

Ondanks dat hij hun bestaan ​​voorspelde, betwijfelde Einstein zelf of deze golven ooit waarneembaar zouden zijn, omdat ze extreem zwak zijn. Weiss' baanbrekende idee om laserinterferometrie te gebruiken maakte dat eindelijk mogelijk eerste waarneming – van zwaartekrachtgolven die worden uitgezonden door de samensmelting van twee zwarte gaten, op 1.3 miljard lichtjaar afstand van de aarde – en nog veel meer die LIGO sindsdien heeft ontdekt. Het vergde tientallen jaren van inspanning van Weiss, zijn Nobelprijscollega's en vele anderen, en de ontdekking vertegenwoordigde een hoogtepunt in de natuurkunde dat ook een nieuw tijdperk in de astronomie inluidde. Sinds de komst van de observationele astronomie hebben we het heelal vooral gescand door eerst zichtbaar licht waar te nemen, en daarna een breed spectrum van elektromagnetische golven. Zwaartekrachtgolven konden nu een nieuwe manier bieden om veel kosmische verschijnselen te onderzoeken. Slechts zeven jaar na de geboorte van de zwaartekrachtastronomie heeft deze al veel waardevolle nieuwe kennis opgeleverd.

Van nazi-Duitsland naar de VS, via Praag

Elk van de drie Nobelprijswinnaars volgde zijn eigen route naar deze successen. Het pad van Weiss laat zien hoe getalenteerde experimentele natuurkundigen worden gevormd, hoe nieuwe wetenschappelijke ideeën uit onverwachte richtingen kunnen komen, en hoe puur doorzettingsvermogen nodig is om een ​​grootschalig natuurkundig experiment tot bloei te brengen.

Weiss werd geboren in Berlijn, Duitsland op 29 september 1932, toen de nazi's aan de macht kwamen. Weiss' vader, Frederick, die Rainer van jongs af aan omschrijft als 'een vurige en idealistische communist', was arts. Als jood en anti-nazi-communist, die had getuigd tegen een nazi-arts die werd beschuldigd van wanpraktijken, werd Frederick door de nazi's vastgehouden toen Rainers moeder, Gertrude, zwanger van hem was. Op aandringen van zijn christelijke vrouw, wier familie enkele lokale contacten had, werd Frederick vrijgelaten en naar Praag gestuurd. Toen Rainer eenmaal was geboren, reisde Gertrude met haar nieuwe baby naar Frederick in Tsjechoslowakije, waar het echtpaar in 1937 nog een kind kreeg, Sybille.

Maar toen het Akkoord van München uit 1938 toestond dat Duitse troepen Tsjechoslowakije binnenkwamen, moest het gezin opnieuw vluchten. “We hoorden het besluit op de radio terwijl we op vakantie waren in Slowakije en sloten ons aan bij een grote groep mensen die op weg waren naar Praag om te proberen een visum te krijgen om te emigreren naar bijna elke andere plek in de wereld waar Joden zouden worden toegelaten”, herinnert Rainer zich in zijn Nobelbiografie. . Het gezin verhuisde in 1939 naar de VS. Onder de toenmalige immigratiewet was dit alleen mogelijk vanwege Frederick's beroep en omdat een 'zeer geweldige vrouw' zoals Weiss haar noemt, uit de filantropische familie Stix uit St. Louis, een borgstelling plaatste. om te garanderen dat de Weisses geen last voor de gemeenschap zouden zijn.

Weiss groeide op in New York City, waar hij aanvankelijk naar de openbare school ging. In de vijfde klas kreeg hij een studiebeurs, waar hij via een lokale vluchtelingenhulporganisatie lid van kon worden Columbia Gymnasium – een privéschool in het midden van Manhattan, die ooit werd geassocieerd met het voorbereiden van studenten op Columbia University. Muziek, wetenschap en geschiedenis waren zijn favoriete vakken, en als tiener bouwde hij op maat gemaakte hifi- of 'hifi'-audiosystemen voor liefhebbers van klassieke muziek.

Die interesse en zijn eigen nieuwsgierigheid brachten hem uiteindelijk naar de natuurkunde. Op zoek naar een perfecte geluidsweergave probeerde Weiss op elektronische wijze het achtergrondgeluid te elimineren dat een grammofoonnaald maakt terwijl deze langs de groef in een ouderwetse plaat beweegt, wat de muziek ontsierde. Maar zijn pogingen mislukten en hij besloot naar de universiteit te gaan om genoeg te leren om het probleem op te lossen. Dat onderwijs begon om Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 1950.

Elektronica naar natuurkunde, via een omweg

Als hoofdvak elektrotechniek aan het MIT werd van Weiss verwacht dat hij kennis zou opdoen over generatoren en transmissielijnen voordat hij de elektronica kon bestuderen die hem echt interesseerde. Dit rigide plan beviel hem niet, dus stapte hij in zijn tweede jaar over op natuurkunde, omdat ‘dat minder eisen stelde’ en een flexibeler curriculum. Maar ook dat lukte niet meteen. In 1952 werd Weiss verliefd op een jonge vrouw, een pianiste. De relatie eindigde niet goed, en diepbedroefd slaagde Weiss niet voor al zijn cursussen en moest hij MIT verlaten.

Maar niet alles was verloren. In het voorjaar van 1953 keerde hij terug naar het MIT als technicus in de Verenigde Staten Atomic Beam Laboratory van natuurkundige Jerrold Zacharias, die de eerste atoomklok had ontwikkeld. “De wetenschap die in dat laboratorium werd uitgevoerd was voortreffelijk”, herinnert Weiss zich. “De experimenten daar keken naar de eigenschappen van geïsoleerde afzonderlijke atomen en moleculen die niet werden verstoord door aangrenzende systemen. Elk atoom was hetzelfde als het volgende en het was mogelijk om fundamentele vragen te stellen over hun structuur en de interacties die ze bij elkaar hielden.” Wat begon als een rol bij het helpen van studenten met hun afstudeerprojecten leidde er uiteindelijk toe dat Weiss rechtstreeks met Zacharias samenwerkte aan de ontwikkeling van de cesium atomaire straalklok, wat uiteindelijk zo zou blijven aangenomen als de tijdstandaard voor het Bureau of Standards (nu het National Institute of Standards and Technology) en de Amerikaanse marine.

Onder het mentorschap van Zacharias voltooide Weiss de zijne bachelordiploma natuurkunde, daarna een doctoraat in 1962, en leerde over experimenten met hoge precisie, een rode draad die leidde tot LIGO. Een ander belangrijk thema ontstond toen Weiss als onderzoeksmedewerker werkte onder astronoom en natuurkundige Robert Dicke van de Princeton Universiteit, die Weiss “een van de helden in mijn leven” noemt. Dicke en Weiss onderzochten de ontwikkeling van een moderne versie van de Eötvös-experiment, om het gelijkwaardigheidsprincipe van de algemene relativiteitstheorie te begrijpen door de gelijkwaardigheid van traagheids- en zwaartekrachtmassa te bewijzen. Omdat Dicke's nieuwe zwaartekrachttheorie een scalair veld combineerde met het tensorveld van de algemene relativiteitstheorie, was zijn idee om een ​​experiment te bouwen dat kon meten hoe de hele aarde zou trillen als er een zwaartekrachtgolf voorbij zou gaan. Het doel van het experiment was om het spectrum van scalaire zwaartekrachtstraling te meten, maar ze ontdekten dat de gevoeligheid van hun kwartsgravimeter ernstig beperkt was vanwege geofysische ruis. Ondanks dat de studie niet succesvol was, leerde Weiss experimentele technieken die Dicke had ontwikkeld en die uiteindelijk essentieel zouden blijken te zijn voor LIGO, en ook voor vele andere natuurkundige experimenten. Weiss ontdekte inderdaad dat die twee jaar in Princeton “van groot belang waren voor mijn wetenschappelijke ontwikkeling”.

Nadat hij in 1964 als assistent-professor bij de natuurkundefaculteit van het MIT kwam werken, Weiss werkte aan een kosmologisch project dat het spectrum van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) mat, het overblijfsel van de oerknal dat nog steeds het universum vult. Hij heeft bijgedragen aan het onderzoek waaruit blijkt dat de CMB volgt een vrijwel perfecte blackbody-curve met een brontemperatuur van 2.7 K – waarvan de ontdekking leidde tot a 2006 Nobelprijs voor de leidende wetenschappers, John Mather en George Smoot.

Het meten van de zwaartekracht in een klaslokaal

Weiss bleef nadenken over zwaartekrachtgolven, vooral toen hem werd gevraagd een cursus algemene relativiteitstheorie te geven aan het MIT. Dit was niet gemakkelijk. De wiskunde van de algemene relativiteitstheorie is ontmoedigend, en de cursussen waarin dit onderwerp werd onderwezen waren meer wiskundig dan fysiek. Terwijl we het er vandaag over hebben, zegt Weiss: “Ik ben geen theoreticus. Ik ben een loodgieter... een vacuümloodgieter, een elektronische loodgieter, maar dan een loodgieter. Dus leerden hij en zijn studenten samen wiskunde, maar onverwachts werd zijn experimentele achtergrond van groot belang.

Zoals Weiss destijds uitlegde Joseph Weber van de Universiteit van Maryland probeerde zwaartekrachtsgolven te detecteren door de verandering in lengte van grote aluminium cilinders te meten terwijl een golf voorbij raasde. Toen de studenten Weiss naar dergelijke metingen vroegen, kwam hij met een pedagogisch voorstel gedachten experiment om in principe te laten zien hoe ze gemaakt kunnen worden. Plaats twee massa's op enige afstand van elkaar in de vrije ruimte, één met een gepulseerde laser en de andere met een spiegel. Meet nu de heen- en terugreistijd van het laserlicht – en dus de afstand. Als een passerende zwaartekrachtgolf de afstand verandert, zouden voldoende nauwkeurige tijdmetingen het effect kunnen aantonen. Omdat alle metingen worden gedaan op de ruimte-tijdlocatie van de laser, wordt de berekening van de algemene relativiteitstheorie eenvoudig – sterker nog, Weiss heeft het als een klassenprobleem aangemerkt.

Weber's beweerde detectie van zwaartekrachtsgolven in 1969 werd nooit herhaald, maar het voorbeeld dat zijn werk inspireerde groeide uit tot LIGO. Weiss verbeterde het oorspronkelijke idee door een tweede straalpad toe te voegen met een spiegel aan het ene uiteinde, haaks op het eerste pad in een "L"-vorm met een straalsplitser op de kruising. Dit is een Michelson-interferometer, die ultraprecieze metingen deed van de lichtsnelheid in het Michelson-Morley-experiment uit 1887 en ook van het CMB-spectrum. In de algemene relativiteitstheorie zou een zwaartekrachtgolf die loodrecht op het vlak van de armen beweegt, de ene verlengen en de andere samentrekken, waardoor de manier verandert waarop de lichtgolven in de twee armen met elkaar interfereren. Dit zou, zo concludeerde Weiss, veel gevoeliger zijn dan het meten van de reistijd langs één enkel pad.

Weiss herinnert zich hoe hij in de zomer van 1971 ‘in een klein kamertje zat en alle dingen berekende die dat experiment zouden verstoren’, inclusief geluidsbronnen. Zijn resultaat was opmerkelijk: met armen van enkele kilometers lang zou het mogelijk zijn om veranderingen in afstanden van slechts 10 te meten^-18 m – amper een duizendste van de grootte van een proton – terwijl passerende zwaartekrachtgolven de ruimte onder druk zetten en een rek van 10 veroorzaken^-21.

Proefbank en eerste observaties

Sommige collega's van Weiss waren sceptisch over zwaartekrachtgolven, maar hij bleef zijn idee ontwikkelen. Het werd experimenteel geverifieerd toen kleine testinterferometers, gebouwd in zijn laboratorium en door een Duitse groep, zijn berekeningen bevestigden. Bredere steun kwam na 1975, toen Weiss opnieuw contact maakte met een kennis uit zijn tijd in Princeton, de Caltech-theoretisch natuurkundige Kip Thorne. Thorne zag het potentieel voor onderzoek naar zwaartekrachtgolven en verdedigde het idee van Weiss bij Caltech. In 1979 werd de National Science Foundation financierde Caltech en MIT om een ​​haalbaarheidsstudie uit te voeren naar interferometrische detectie. In 1990 steunde het LIGO als een Caltech-MIT-operatie met de grootste subsidie ​​die het ooit had gekregen. Dit maakte de constructie mogelijk van identieke detectoren met armen van 4 km lang Hanford, Washington en Livingston, Louisiana, voor toevalsstudies om eventuele waarnemingen te bevestigen. Deze omvatten veel technische concepten die waren ontwikkeld door experimenteel natuurkundigen Ronald Drever van Caltech.

Nadat LIGO in 2002 van start ging, bereikte het de voorspelde gevoeligheid, maar negen jaar lang werden er geen zwaartekrachtgolven gedetecteerd. De apparaten werden vervolgens aanzienlijk verbeterd, met een betere isolatie van geluidsbronnen, wat resulteerde in “geavanceerde LIGO” (aLIGO) ruim vijf jaar later. Met 10-voudige verbeterde gevoeligheid, aan 14 september 2015, aLIGO maakte de allereerste waarneming van zwaartekrachtsgolven die afkomstig waren van twee samensmeltende zwarte gaten – een wonderbaarlijke ontdekking aangezien de machine nog steeds werd gekalibreerd voor de eerste officiële run (Natuurkunde wereld 2017; 30 (10) 33).

Een paar jaar later, verder Op 17 augustus 2017 deed aLIGO de allereerste waarneming van zwaartekrachtsgolven van twee samensmeltende neutronensterren (De Virgo-zwaartekrachtgolfdetector in Italië deed ook mee). Dit waren geen geïsoleerde gebeurtenissen. Aan het einde van de laatste observatieronde, die eind 2021 werd afgerond, had aLIGO in totaal gerapporteerd 90 waarnemingen van samensmeltingen van twee zwarte gaten (de meerderheid), twee neutronensterren, of een zwart gat en een neutronenster. 

Terugkijken, vooruitkijken

Wanneer hij nadenkt over deze eerste zeven jaar van zwaartekrachtastronomie, is Weiss juichend. ‘Ik denk dat LIGO een enorm succes is geweest’, zegt hij, waarbij hij vooral prijst voor de manier waarop het de algemene relativiteitstheorie en de astrofysica van zwarte gaten valideert. De resultaten van LIGO laten zien dat we zwarte gaten goed genoeg begrijpen om de details van hun tweelichameninteractie te voorspellen, wat binnen de algemene relativiteitstheorie net zo moeilijk te berekenen is als het drielichamenprobleem in de klassieke natuurkunde. Een ander resultaat is LIGO's catalogus van interacties tussen zwarte gaten met verschillende massa's, die aanwijzingen geeft over hoe ze zich kunnen vormen tot de superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels.

Weiss noemt ook één specifieke gebeurtenis die “de grootste opschudding veroorzaakte [en] zoveel wetenschap opleverde dat het ongelooflijk is”. De twee botsende neutronensterren die in 2017 werden waargenomen, genereerden ook elektromagnetische straling, van gammastraling tot radiogolven, die werd gevolgd door observatoria over de hele wereld (zie "Een nieuwe kosmische boodschapper”door Imre Bartos). Dit uitstekende voorbeeld van ‘multi-messenger’-astronomie leverde een precieze locatie voor de gebeurtenis op; toonde aan dat de interactie goud en platina produceerde, wat nieuw inzicht gaf in hoe sterren zware elementen maken; bevestigde dat zwaartekrachtgolven zich precies met de snelheid van het licht voortbewegen; en bood een nieuwe manier om de constante van Hubble te meten en misschien de huidige onzekerheden over de waarde ervan weg te nemen.

Het enthousiasme van Weiss groeit als hem wordt gevraagd naar de toekomst van de zwaartekrachtastronomie. Eén onderdeel zou de Cosmic Explorer-interferometer, gesuggereerd door Matthew Evans en Nergis Mavalvala bij MIT. Weiss is een groot voorstander van dit apparaat van de volgende generatie, waarvan de 40 km lange armen het tien keer gevoeliger zouden maken dan het geavanceerde LIGO. Europese wetenschappers overwegen de driehoek Einstein Telescoop met 10 km lange armen, en de European Space Agency stelt voor de driehoek te lanceren Laserinterferometer Ruimteantenne (LISA) in de jaren 2030. De drie ruimtevaartuigen – die zich op een onderlinge afstand van 2.5 miljoen km bevinden en lasers en spiegels aan boord hebben – zouden een hypergevoelige detector vormen.

Elke detector reageert op verschillende frequenties van zwaartekrachtgolven, die omgekeerd afhankelijk zijn van de massa van het stralende object. Net zoals de reguliere astronomie verschillende delen van het elektromagnetische spectrum gebruikt om gevarieerde hemelverschijnselen te bestuderen, beginnen we zwaartekrachtobservatoria te zien die zijn afgestemd op het detecteren van verschillende klassen van zwaartekrachtgebeurtenissen. Voor zwarte gaten variëren de mogelijkheden van het zoeken naar kleine hypothetische oorspronkelijke zwarte gaten tot het begrijpen hoe superzware zwarte gaten verband houden met de vorming van sterrenstelsels. Zwaartekrachtgolven van samensmeltende neutronensterren zullen onze kennis van de evolutie van sterren en de dichte nucleaire materie verdiepen. Ze kunnen ook voortkomen uit pulsars als aanvulling op wat elektromagnetische golven over hen onthullen. Meer speculatief suggereren sommige onderzoekers dat multi-messenger-methoden zouden kunnen aantonen of het superzware zwarte gat in het centrum van onze eigen Melkweg werkelijk het ene uiteinde van een wormgat is.

Wat Weiss het meest opwindt over deze komende detectoren is dat ze “spectaculaire wetenschap zouden kunnen doen door het veld in de kosmologie te brengen, de studie van het hele universum.” Zoals hij uitlegt, de Russische theoreticus Alexei Starobinskiǐ heeft aangetoond dat als een vacuümfluctuatie de kosmos op gang zou brengen, de onvoorstelbare versnelling, wanneer het universum een ​​snelle kosmische inflatie zou ondergaan, veel laagfrequente zwaartekrachtsgolven zou produceren. Net als de kosmische achtergrondstraling zouden deze een resterende universele achtergrond vormen, maar afkomstig uit een tijd vlakbij de oerknal en nieuwe informatie bevatten over vroege processen zoals het ontstaan ​​van donkere materie. Deze golven zouden moeilijk te detecteren zijn, maar onderzoekers plannen een combinatie van detectoren op de grond en in de ruimte die een nieuw instrument zouden vormen om enkele grote vragen in de natuurkunde, astronomie en kosmologie aan te pakken.

Maar als hij terugkijkt op zijn lange carrière en toekomstig onderzoek, wil Weiss de zaken niet samenvatten door simpelweg te zeggen: “Zo ben ik niet.” Het kan teleurstellend zijn om geen laatste geluid te horen, maar in zijn decennialange toewijding aan het succesvol bouwen van LIGO, in zijn visie op het verder bevorderen van de zwaartekrachtsgolfwetenschap, en in zijn aanstekelijke passie voor beide, heeft Rainer Weiss al welsprekend gezegd: alles wat hij te zeggen heeft.