Magische Spiegels: muziek, ijs in alle smaken en andere uitdagingen bij het ontwerp van de spiegels voor de Einstein Telescope
Denk je bij een telescoop meteen aan sterren kijken? Vergeet dat maar. Bij de ondergrondse Einstein Telescope draait alles om techniek en precisie. Jessica Steinlechner en Alex Amato onthullen een stukje van de magie achter één cruciaal onderdeel: de spiegels.
"Spiegeltje, spiegeltje aan de wand, wie is de mooiste van het land?" De spiegels van de Einstein Telescope zouden antwoorden: "Wij, zonder twijfel!" En terecht, want ze worden de meest perfecte ooit.
Maar waarom heeft een ondergrondse telescoop überhaupt spiegels nodig? Gewone telescopen vangen licht op van sterren en sterrenstelsels, maar de Einstein Telescope werkt anders. Hij meet zwaartekrachtsgolven die hem een bijna onmeetbaar klein beetje oprekken. Dit oprekken meten de wetenschappers door laserstralen tussen perfecte spiegels te weerkaatsen.
Onzichtbare golven
"Het effect van een zwaartekrachtsgolf op de telescoop is zó ontzettend klein dat zelfs de kleinste verstoring de golf onzichtbaar maakt," zegt Jessica Steinlechner, natuurkundige bij de Gravitational Waves and Fundamental Physics-groep van de Universiteit Maastricht. Hoe klein precies? Ze heeft het over de bewegingen van individuele atomen op het spiegeloppervlak.
Om deze minieme verstoringen te voorkomen, moet de spiegel aan cruciale eigenschappen voldoen. Laten we een paar eigenschappen onder de loep nemen.
Muziek in de oren
Mechanical loss vertelt je hoeveel energie een object verliest wanneer het trilt. Een wijnglas dat lang blijft rinkelen heeft een lage mechanical loss, het kan zo lang rinkelen omdat het weinig energie verspilt. “We willen dat onze spiegels een lage mechanical loss hebben,” zegt Jessica. “Dit helpt alles stabiel te houden en voorkomt kleine trillingen die de detectie van zwaartekrachtsgolven zouden kunnen verstoren.”
Thermische ruis
Alles bevat energie en daardoor bewegen atomen altijd een beetje. Dit veroorzaakt thermische ruis, ook in de spiegel en zijn reflecterende oppervlak. "Om atoombeweging te beperken, koelen we de spiegel af tot -253°C (20 Kelvin)," legt Jessica uit.
Extreem reflecterend
"Een badkamerspiegel, die bestaat uit glas met erachter een reflecterende laag, reflecteert zo’n 90% van het licht. De Einstein Telescope moet 99,999% reflecteren," zegt Jessica. Slechts één op een miljoen fotonen mag worden geabsorbeerd en gaat dus verloren.
“De spiegels bestaan uit een groot blok van, bijvoorbeeld, zuiver silicium. Daarop brengen we meerdere lagen zeer dunne reflecterende coatings aan," zegt Alex Amato, materiaalwetenschapper en postdoc bij GWFP. “Maar de beste reflecterende coatings hebben een hoge mechanical loss. Hoewel we bijna geen foton missen, zien we de kleine zwaartekrachtgolven nog steeds niet.”
De magie
Jessica, Alex en hun collega's onderzoeken materialen die reflectiviteit verhogen en problemen, als mechanical loss aanpakken. Nieuwe materialen op basis van titanium, silicium, zuurstof en germanium liggen onder de loep. "We doen dit niet alleen voor de Einstein Telescope, maar ook voor bestaande zwaartekrachtsgolfdetectoren," vertelt Alex.
Jessica Steinlechner
Jessica, universitair hoofddocent bij de GWFP-groep, leidt samen met Alex Amato het onderzoek naar spiegels voor zwaartekrachtsgolfdetectoren. Ze studeerde natuurkunde aan de Universiteit van Hannover en hielp in Maastricht het lab vanaf nul op te bouwen. De eerste experimenten vonden zelfs plaats in haar kantoor!
Alex Amato
Alex begon zijn natuurkundeopleiding aan de Universiteit van Genua. “Voor mijn scriptie onderzocht ik spiegelcoatings, pas later besefte ik dat die bedoeld waren voor een zwaartekrachtsgolftelescoop. Ik raakte gefascineerd en ging stagelopen bij het coatingbedrijf. Toen Jessica een vacature had, koos ik voor Maastricht.”
Alle smaken
In het lab, naast de ETPathfinder-testfaciliteit, laat Jessica een ultrakoude vacuümkamer zien waarin spiegelmaterialen worden getest. "Op dit moment kijken we naar ijsvorming. Bij 20 Kelvin bevriest bijna alles, zelfs minuscule restjes stikstof, zuurstof en waterdamp in de vacuümkamer," zegt Jessica. "Dat vormt dunne laagje ijs op de spiegel, alsof er verschillende ‘smaken’ ijs ontstaan. We onderzoeken hoe deze ijslagen de prestaties beïnvloeden."
Het ontwerp van de Einstein Telescope is een gigantische, multidisciplinaire samenwerking met wetenschappers uit de hele wereld. Zelfs op onverwachte plekken, zoals het Maastricht UMC+, vindt Alex nieuwe samenwerkingen. "Bij IDEE – Research Engineering werken we met ingenieurs aan op maat gemaakte onderzoeksopstellingen. Fantastisch om die na al het denkwerk in de praktijk te zien!"
Stap voor stap werken wetenschappers als Jessica en Alex aan de moeilijk op te lossen uitdagingen, en langzaam maar zeker brengen ze de Einstein Telescope tot leven.
