MiniGRAIL

Gravitational Radiation Antenna In Leiden

Kamerlingh Onnes Laboratory, Leiden University, The Netherlands

Scholieren Site

Detectoren van Gravitatie Golven

Laser Interferometer
In een laser interferometer wordt het inkomende licht van de laser door een beam splitter (straal splitser) gestuurd. De beam splitter zal de helft van het licht reflecteren en de helft door laten. Het doorgelaten licht zal reflecteren aan spiegel 1 en de helft van dat zal weer door de beam splitter worden doorgelaten (richting de laser) en de andere helftgereflecteerd naar de foto detector.
Het weglengt verschil is 0, de twee golven zijn dus "in fase" en zullen elkaar versterken. Aan de uitgang van de foto detektor zal een heldere stip ("heldere fringe") te zien zijn. Het weglengt verschil is 1/2 golflengte, de twee golven zijn "uit fase" en zullen elkaar uitdoven. Aan de uitgang van de foto detektor zal geen signaal ("donkere fringe") gedetekteerd worden. Als een gravitatie golf de interferometer passeerd, zal de intensiteit van het licht aan de foto detektor gaan oscilleren.

De gevoeligheid van een interferometer is evenredig met de afstand tussen de beam splitter en de spiegels. Immers, deltaL=hL. De laser interferometers die op dit moment gebouwd worden hebben een typische lengte van 3-4 km. Omdat het laserlicht niet door de de molekulen in de lucht verstrooid mogen worden, moeten lange vacuum buizen gebouwd worden. De optische lengte kan vergroot worden tot wel 100 km door het laser licht vele malen heen en weer te laten gaan.

De 4 km lange vacuum buizen verbinden de spiegels in de LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory), USA. Om de optische weglengte van het laser licht te verlengen, wordt de straal vele malen heen en weer gekaatst tussen twee spiegels. Op de foto is een demonstratie model te zien uit Duitsland.


In werkelijkheid zal een gravitatie golf een verplaatsing van de spiegels teweeg brengen die overeen komt met een variatie in de orde van grootte van 10-13 van een fringe. Dat wil zeggen dat een fluctuatie in het laser licht of een kleine verplaatsing van een van de spiegels al een signaal kan geven dat groter is dan dat geproduceerd door een gravitatie golf. Er moeten veel truuks worden uitgehaald om die fluctuaties te onderdrukken.


Resonante Cilinder
Door de vervorming van de tijd-ruimte ten gevolge van een gravitatie golf kan de eerste longitudinale mode van een cilinder geexiteerd worden. Dus, als deze mode dezelfde resonantie frequentie heeft als de frequentie van de gravitatie golf, zal de cilinder gaan oscilleren. De uitwijking van de trilling kan gemeten worden met behulp van een mechanische versterker (transducer).

Er zijn vijf van zulke antennes operationeel bij lage temperatuur (T<5K). De meeste zijn gemaakt van aluminium met een typische lengte van 3 meter, een diameter van 60 cm en een massa van 2300 kg. De grote massa is van belang omdat de hoeveelheid energie die van de gravitatie golf wordt overgedragen op de antenne evenredig is met de massa van de antenne. De resonantie frequentie is tussen 900 en 1000 Hz, waardoor ze gevoelig zijn voor het signaal van een supernova explosie.

Resonante Bol
Ook een bol heeft bepaalde modes die "koppelen" met het quadrupole krachtveld van een gravitatie golf. Deze speciale modes worden de quadrupool modes genoemd, het zijn er 5. Het principe van een resonante bol is hetzelfde als dat van een resonante cilinder. Een bol heeft echter veel voordelen ten opzicht van een cilinder. Voor dezelfde resonantie frequentie heeft een bol veel meer massa dan een cilinder. Een bol kan dus meer energie uit een gravitaie golf vangen, waardoor de gevoeligheid van de antenne groter wordt. Een cilinder is optimaal gevoelig als de gravitatie golf loodrecht op de cilinder invalt. Als de gravitatie golf onder een hoek op de cilinder valt, neemt de gevoeligheid snel af. Een bol is uiteraard optimaal gevoelig voor iedere richting van de gravitatie golf. Omdat een bol 5 quadrupool modes heeft, kan men, door verschillende mechanische versterkers op de bol te monteren, de richting van de gravitatie golf bepalen. MiniGRAIL is de eerste bolvormige detector ter wereld. Er zullen nog twee andere bollen gemaakt worden. Een zal in Sao Paulo, Brazilie worden geinstalleerd en de andere in Rome, Italie.