Correlated and coincident noise in Einstein Telescope's triangular configuration

Zwaartekracht is de onzichtbare kracht die onze voeten aan de grond houdt, maar het rimpelt ook door het weefsel van ruimte en tijd wanneer massieve objecten botsen. Deze rimpelingen, bekend als zwaartekrachtgolven, zijn zo zwak dat het detecteren ervan instrumenten van buitengewone precisie vereist. Wetenschappers hebben decennia besteed aan het bouwen van laserinterferometers, apparaten die minuscule veranderingen in afstand meten door licht tussen spiegels te laten weerkaatsen. De huidige generatie van deze detectoren, zoals die in de Verenigde Staten en Italië, heeft de vorm van de letter L, met twee lange armen die elkaar in een rechte hoek ontmoeten. Dit ontwerp werkt goed, maar terwijl wetenschappers plannen voor de volgende generatie observatoria, staan ze voor een cruciale keuze over hoe ze de krachtigste machine mogelijk kunnen bouwen. Een voorstel is om twee afzonderlijke L-vormige detectoren op verschillende locaties te bouwen. Een ander, compacter idee is om een enkele, massieve driehoek ondergronds te bouwen, met drie armen die drie punten verbinden. Dit driehoekige ontwerp, voorgesteld voor de Einstein Telescoop in Europa, biedt een unieke wiskundige truc: omdat de drie armen een gesloten lus vormen, zijn de zwaartekrachtgolfsignalen die ze detecteren niet allemaal onafhankelijk. Als je de signalen van alle drie de armen bij elkaar optelt, zouden de zwaatskrachtgolven theoretisch moeten wegvallen, waardoor een "null stream" overblijft die alleen ruis bevat.

Jarenlang werd deze null stream beschouwd als een potentiële superkracht. De hoop was dat wetenschappers door naar dit kanaal met enkel ruis te kijken, ongewenste verstoringen uit de andere kanalen konden identificeren en aftrekken, om zo de data effectief op te schonen en de zwakke fluisteringen van het universum duidelijker te horen. Echter, een nieuwe studie door Jan Harms daagt dit optimisme uit. Het onderzoek suggereert dat de driehoekige configuratie een verborgen valstrik kent: de omgeving die de detector omringt creëert ruis die niet willekeurig is, maar gedeeld. Net zoals een hard geluid in een kamer door iedereen binnenin gehoord kan worden, kunnen trillingen van de grond en fluctuaties in magnetische velden alle drie de armen van de driehoek tegelijkertijd beïnvloeden. De studie onderzoekt of de gedeelde ruis de bruikbaarheid van de null stream ondermijnt, waardoor een potentieel hulpmiddel voor helderheid verandert in een bron van verwarring.

Om het probleem te begrijpen, moet men eerst kijken naar hoe deze detectoren werken. De Einstein Telescoop is ontworn als een "xylofoon" van instrumenten, met verschillende paren armen die afgestemd zijn op het horen van lage-frequentie en hoge-frequentie geluiden uit de kosmos. In de driehoekige opstelling zijn er in totaal zes dergelijke interferometers. De onderzoekers richtten zich op de laagfrequente instrumenten, die het meest gevoelig zijn voor de langzame, zware gerompels van het universum, maar ook het meest kwetsbaar zijn voor de aarde zelf. De grond is nooit perfect stil; ze trilt met seismische golven, en de instrumenten zijn ook gevoelig voor magnetische velden die aan de metalen componenten binnenin kunnen trekken. Het team gebruikte echte gegevens van kandidaat-locaties voor de telescoop, inclusief ondergrondse metingen uit de Nederlanden en Sardinië, om te simuleren hoe deze omgevingsverstoringen zich zouden gedragen. Ze bouwden een computermodel dat realistische ruis genereerde, inclusclusief plotselinge, scherpe verstoringen bekend als "glitches", die gebruikelijk zijn in huidige detectoren en de signalen die wetenschappers zoeken kunnen nabootsen.

De simulatie onthulde dat de omgeving een complex web van verbindingen tussen de drie armen creëert. Wanneer een seismische golf of een magnetische fluctuatie de locatie raakt, beïnvloedt dit de armen niet elk in isolatie. In plaats daarvan is de ruis gecorreleerd, wat betekent dat de verstoring in één arm wiskundig verbonden is met de ruis in de andere armen. De onderzoekers ontdekten dat deze correlatie bijzonder sterk is voor de laagfrequente instrumenten. In hun simulaties observeerden zij dat deze omgevingskrachten honderdduizenden glitches per jaar in elk instrument zouden produceren. Veel van deze glitches zouden tegelijkertijd in meerdere armen verschijnen, niet omdat het zwaartekrachtgolven zijn, maar omdat de aarde en het magnetische veld de gehele locatie simultaan doen schudden. Dit creëert een aanzienlijke hindernis voor het detecteren van echte kosmische gebeurtenissen, aangezien de ruis het signaal kan overstemmen of valse alarmen kan veroorzaken.

De meest verrassende bevinding betreft de null stream, het kanaal waar de zwaartekrachtgolfsignalen naar verwachting zouden verdwijnen. De oorspronkelijke hoop was dat dit kanaal zou fungeren als een perfecte referentie voor de ruis, waardoor wetenschappers deze van de andere kanalen konden aftrekken. Echter, de studie toont aan dat dit niet werkt voor omgevingsglitches. Omdat de ruis zich door de grond en magnetische velden verplaatst, bereikt het de verschillende armen met lichte vertragingen en veranderingen in vorm. Een trilling kan eerst een arm raken en dan naar de volgende reizen, waarbij de vorm van de golf onderweg wordt aangepast. Bijgevolg ziet de glitch die in de null stream verschijnt er niet hetzelfde uit als de glitch in de individuele armen. Het is als het proberen te annuleren van een geluid door een opname ervan af te spelen, maar de opname is licht vervormd en uit de pas. De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat de null stream geen nauwkeurig model biedt van de ruis in de andere kanalen, wat het ineffectief maakt voor het opschonen van de data.

De studie onderzocht ook hoe deze gecorreleerde ruis de mogelijkheid beïnvloedt om een achtergrondgezoem van zwaartekrachtgolven te detecteren, een signaal dat voortkomt uit de gecombineerde ruis van ontelbare zwarte gaten en neutronensterren door het universum. De resultaten wijzen erop dat de gedeelde ruis tussen de armen een fundamentele limiet stelt aan hoe gevoelig de telescoop kan zijn voor deze achtergrond. Zelfs met de beste technologie vormt de ruis van de aarde en magnetische velden een vloer waaronder de telescoop niet kan kijken. De onderzoekers berekenden dat zonder massale verbeteringen in afscherming en ruisonderdrukking, het vermogen van de telescoop om deze zwakke signalen te horen aanzienlijk zou worden verminderd. Zij schatten dat het aantal valse alarmen veroorzaakt door deze omgevingsglitches honderdduizenden per jaar kan bereiken, wat een "bos" van ruis creëert die het moeilijk maakt om de zeldzame, echte signalen te vinden.

Uiteindelijk concludeert het artikel dat de driehoekige configuratie, hoewel theoretisch elegant, een zware last draagt van omgevingsruis die niet gemakkelijk op te lossen is met de null stream. De onderzoekers betogen dat de driehoek niet immuun is voor dezelfde problemen die eerdere detectoren teisterden, waarbij ruiscorrelaties tussen nabijgelegen instrumenten de gevoeligheid beperkten. De studie suggereert dat om de Einstein Telescoop zoals bedoeld te laten werken, ingenieurs nieuwe manieren moeten ontwikkelen om het instrument af te schermen van de aardse trillingen en magnetische velden, ver voorbij wat tot nu toe is bereikt. De null stream, ooit gezien als een slimme afkorting naar schonere data, blijkt ineffectief tegen het specifieke type ruis dat de driehoek waarschijnlijk zal tegenkomen. De weg vooruit vereist de erkenning dat de aarde zelf een luidruchtige partner is in de zoektocht naar kosmische stilte, en dat het bouwen van een betere telescoop er eerst vanaf hangt om de grond eronder te leren verstommen.