Interferometers zijn onderzoeksinstrumenten die op vele terreinen van wetenschap en techniek worden gebruikt. Zij worden interferometers genoemd omdat zij werken door twee of meer lichtbronnen samen te voegen om een interferentiepatroon te creëren, dat kan worden gemeten en geanalyseerd; vandaar “Interfere-o-meter”, of interferometer. De interferentiepatronen die door interferometers worden gegenereerd, bevatten informatie over het object of verschijnsel dat wordt bestudeerd. Zij worden vaak gebruikt om zeer kleine metingen te verrichten die op geen enkele andere manier mogelijk zijn. Daarom zijn ze zo krachtig voor het detecteren van gravitatiegolven – de interferometers van LIGO zijn ontworpen om een afstand van 1/10.000ste van de breedte van een proton te meten!
Wijdverbreid vandaag, werden interferometers eigenlijk uitgevonden in de late 19de eeuw door Albert Michelson. De Michelson Interferometer werd in 1887 gebruikt in het “Michelson-Morley Experiment”, dat tot doel had het bestaan van de “Lichtgevende Aether” te bewijzen of te weerleggen — een substantie waarvan men destijds dacht dat die het heelal doordrong. Alle moderne interferometers zijn voortgekomen uit deze eerste interferometer, omdat daarmee werd aangetoond hoe de eigenschappen van licht kunnen worden gebruikt om de kleinste metingen te verrichten. De uitvinding van lasers heeft interferometers in staat gesteld de kleinst denkbare metingen te verrichten, zoals die welke door LIGO worden vereist.
Het is opmerkelijk dat de basisstructuur van LIGO’s interferometers weinig verschilt van de interferometer die Michelson meer dan 125 jaar geleden ontwierp, maar met enkele toegevoegde kenmerken, beschreven in LIGO’s Interferometer.
Hoe ziet een interferometer eruit?
Layout van een basale Michelson laserinterferometer. (Klik voor een grotere afbeelding)
Omdat interferometers zo breed worden toegepast, zijn zij er in allerlei soorten en maten. Ze worden gebruikt om alles te meten, van de kleinste variaties op het oppervlak van een microscopisch organisme, tot de structuur van enorme gas- en stoflagen in het verre heelal, en nu om gravitatiegolven te detecteren. Ondanks hun verschillende ontwerpen en de verschillende manieren waarop zij worden gebruikt, hebben alle interferometers één ding gemeen: zij leggen lichtbundels over elkaar om een interferentiepatroon te genereren. De basisconfiguratie van een Michelson laserinterferometer is rechts afgebeeld. Hij bestaat uit een laser, een bundelsplitser, een reeks spiegels, en een fotodetector (de zwarte stip) die het interferentiepatroon registreert.
Wat is een interferentiepatroon?
Om beter te begrijpen hoe interferometers werken, helpt het om meer te begrijpen over ‘interferentie’. Iedereen die wel eens stenen in een vlakke, glasachtige vijver of zwembad heeft gegooid en heeft gezien wat er gebeurde, weet wat interferentie is. Wanneer de stenen het water raken, genereren ze concentrische golven die van de bron weg bewegen. En waar twee of meer van die concentrische golven elkaar kruisen, interfereren ze met elkaar. Deze interferentie kan resulteren in een grotere golf, een kleinere golf, of helemaal geen golf. Het zichtbare patroon dat optreedt waar de golven elkaar snijden, is eenvoudigweg een “interferentiepatroon”.
Interferentiepatronen in water. De “interferentie” treedt op in de gebieden waar de uitdijende cirkelvormige golven van de verschillende bronnen elkaar kruisen.
Wanneer de pieken van twee golven elkaar ontmoeten, tellen hun pieken op. Wanneer de pieken van een golf de dalen van een andere identieke golf ontmoeten, heffen ze elkaar op.
De principes van interferentie zijn eenvoudig te begrijpen. Twee of meer golven werken op elkaar in. Je telt de hoogten van de afzonderlijke golven bij elkaar op, en de resulterende golf is het ‘interferentie’-patroon. De figuur rechts toont twee specifieke vormen van interferentie: totale constructieve interferentie en totale destructieve interferentie. Totale constructieve interferentie treedt op wanneer de pieken en dalen van twee (of meer) golven elkaar perfect ontmoeten. Bij elkaar opgeteld ‘construeer’ je een grotere golf, waarvan de grootte gelijk is aan de som van de hoogten (en diepten!) van de twee golven op elk punt waar ze fysiek op elkaar inwerken. Totale destructieve interferentie treedt op wanneer de pieken van een of meer golven de dalen van een identieke golf ontmoeten en evenaren. Wanneer deze bij elkaar worden opgeteld, heffen zij elkaar op (d.w.z. zij “vernietigen” elkaar).
In de natuur zullen de pieken en dalen van een golf niet altijd perfect samenkomen met de pieken of dalen van een andere golf, zoals de illustratie laat zien. Het handige is dat, ongeacht hoe synchroon ze zijn wanneer ze samensmelten, de hoogte van de golf die het gevolg is van de interferentie altijd gelijk is aan de som van de hoogten van de samensmeltende golven langs elk punt waar ze fysiek op elkaar inwerken. Wanneer golven elkaar dus een beetje ongelijktijdig ontmoeten, kan gedeeltelijke constructieve of destructieve interferentie optreden. De onderstaande animatie illustreert dit effect. De zwarte golf toont het resultaat van het optellen van de pieken en dalen van de rode en blauwe golven terwijl ze door elkaar heen bewegen (interfereren). Het optellen van de hoogten/dieptes van elke golf op elk punt terwijl ze door elkaar heen bewegen resulteert in de zwarte golf. Merk op dat deze een volledig bereik van hoogten ervaart, van tweemaal zo hoog/diep (totale constructieve interferentie) tot vlak (totale destructieve interferentie). In dit voorbeeld is de zwarte golf het interferentiepatroon (het patroon dat het resultaat is van de voortdurende interferentie tussen de rode en de blauwe golf). Merk op hoe het blijft veranderen zolang de rode en blauwe golven op elkaar blijven inwerken.
De veranderende zwarte golf is het interferentiepatroon dat ontstaat door de rode en blauwe golven terwijl zij elkaar passeren/op elkaar inwerken.
Parallellen met licht
Het toeval wil dat lichtgolven zich net zo gedragen als watergolven. Als twee laserstralen samensmelten, ontstaat er ook een interferentiepatroon dat afhangt van hoe goed de lichtgolven zijn uitgelijnd als ze samensmelten. Net als bij water, wanneer de pieken van de golven van de ene bundel perfect samenvallen met de dalen van de andere, treedt totale destructieve interferentie op. In water is het resultaat geen golf. In licht is het resultaat geen licht! Omgekeerd, wanneer de pieken van de ene straal perfect de pieken van een andere ontmoeten, treedt totale constructieve interferentie op. Nogmaals, in water is de hoogte van de resulterende golf gelijk aan de som van de hoogten van de twee golven; in licht is het resultaat een licht dat gelijk is aan de som van de intensiteiten van de twee afzonderlijke lichtbundels. Deze analogie doortrekkend, kan in water, wanneer golven door elkaar heen gaan, een volledige interferentie optreden van gedeeltelijke tot volledige constructieve en destructieve (grotere golf, kleinere golf, geen golf). In licht is het resultaat een volledig bereik van helderheid, van duisternis tot de som van de intensiteiten van de op elkaar inwerkende stralen.
Parallellen tussen constructieve en destructieve interferentie in water en met licht. (Aangepast van www.explainthatstuff.com)
Terugkomend op LIGO’s interferometers, wat dicteert hoe goed uitgelijnd de stralen zijn wanneer ze samensmelten is de afstand die ze afleggen voordat ze samensmelten. Als de bundels precies dezelfde afstand afleggen, zullen hun lichtgolven perfect zijn uitgelijnd, zodat ze resulteren in totale destructieve interferentie (LIGO is opzettelijk ontworpen om dit te laten gebeuren als er geen gravitatiegolven passeren). Maar als de lasers om de een of andere reden niet dezelfde afstand afleggen, lopen hun lichtgolven niet meer synchroon als ze samensmelten, wat betekent dat geen licht, weinig licht, of een licht dat even helder is als de oorspronkelijke laserstraal de fotodetector bereikt. En als de armen in de loop van de tijd van lengte veranderen, verschijnt er een flikkering omdat de bundels een reeks interferenties ervaren, afhankelijk van hoe ze elkaar op een bepaald moment ontmoeten.
Hoe beïnvloeden gravitatiegolven de interferometer van LIGO?
Gravitatiegolven veroorzaken dat de ruimte zelf in één richting wordt uitgerekt en tegelijkertijd in een loodrechte richting wordt samengedrukt. In LIGO zorgt dit ervoor dat de ene arm van de interferometer langer wordt terwijl de andere korter wordt, en dan vice versa, heen en weer zolang de golf passeert. De technische term voor deze beweging is “Differentiële Arm” beweging, of differentiële verplaatsing, omdat de armen tegelijkertijd van lengte veranderen op tegengestelde manieren, of differentieel.
Zoals hierboven beschreven, als de lengtes van de armen veranderen, verandert ook de afstand die door elke laserstraal wordt afgelegd. Een straal in een kortere arm zal eerder naar de bundelsplitser terugkeren dan de straal in een langere arm, waarna de situatie verandert als de armen heen en weer gaan tussen langer en korter zijn. De lichtgolven, die op verschillende tijdstippen aankomen, komen niet meer mooi bij elkaar als ze bij de bundelsplitser worden samengevoegd. In plaats daarvan verschuiven ze in en uit de richting of “fase” als ze samenkomen terwijl de golf de armlengtes doet schommelen. Eenvoudig gezegd resulteert dit in een flikkering van licht dat uit de interferometer komt. Dit proces wordt geïllustreerd in het fragment rechts uit Einstein’s Messengers .
Hoewel het idee in principe bijna eenvoudig lijkt, is het in de praktijk, het detecteren van die flikkering, dat niet. De verandering in armlengte veroorzaakt door een gravitatiegolf kan zo klein zijn als 1/10.000ste van de breedte van een proton (dat is 10-19 m)! Bovendien is het vinden van een gravitatiegolf tussen alle andere flikkeringen die LIGO ervaart (veroorzaakt door alles wat de spiegels kan doen trillen, zoals aardbevingen of verkeer op nabijgelegen wegen) een ander verhaal. De LIGO-technologie beschrijft in detail hoe LIGO veel van die “ruis” wegfiltert om de duidelijke “flikkering” van licht veroorzaakt door een gravitatiegolf te kunnen detecteren.