De Virgo Collaboration en de LIGO Scientific Collaboration hebben met drie detectoren een eerste gezamenlijke ontdekking gedaan van zwaartekrachtgolven. Het resultaat benadrukt het wetenschappelijk potentieel van een wereldwijd netwerk van zwaartekrachtgolfdetectoren, dat een betere lokalisatie van de bron oplevert en inzicht verschaft in de polarisatie van zwaartekrachtgolven.
De twee detectoren van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) en Hanford (Washington) in de Verenigde Staten, en de Virgo-detector op het European Gravitational Observatory (EGO) in Cascina nabij Pisa in Italië, detecteerden een zwaartekrachtgolfsignaal van korte duur, dat is geproduceerd door de samensmelting van twee stellaire zwarte gaten.
De waarneming met de drie detectoren is gedaan op 14 augustus 2017 om 12:30:43 Nederlandse tijd. De waargenomen zwaartekrachtgolven - rimpelingen in de ruimtetijd – werden uitgezonden tijdens de laatste momenten van de samensmelting van twee zwarte gaten met massa’s van ongeveer 31 en 25 keer die van de zon, op een afstand van zo’n 1,8 miljard lichtjaar. Het nieuwe gevormde rondtollende zwarte gat is circa 53 zonsmassa’s zwaar, wat betekent dat ongeveer 3 zonsmassa’s tijdens de samensmelting omgezet zijn in zwaartekrachtgolfenergie.
Het betreft de vierde detectie van een dubbel zwart gat. De astrofysisch relevante gebeurtenis is het eerste significante geregistreerde zwaartekrachtgolfsignaal van de Virgo-detector, die eerder dit jaar werd geüpgraded naar Advanced Virgo.
“Het is geweldig om slechts twee weken nadat we onze data zijn gaan verzamelen een eerste zwaartekrachtgolfsignaal te zien in onze splinternieuwe Advanced Virgo-detector,” zegt de woordvoerder van de Virgo Collaboration Jo van den Brand (Nikhef en Vrije Universiteit Amsterdam). “Het is een schitterende beloning voor al het werk dat is gedaan binnen het Advanced Virgo-project om het instrument in de afgelopen zes jaar een upgrade te geven.”
Stan Bentvelsen, directeur van Nikhef, voegt daaraan toe: “Ik heb met grote interesse gevolgd hoe dit instrument de afgelopen periode steeds gevoeliger werd. De gezamenlijke detectie met LIGO is een prachtige bevestiging voor dit harde werk. Onderzoek aan zwaartekrachtgolven is verstrekkend en Virgo en LIGO blijken in staat te zijn het universum op een nieuwe manier waar te nemen. Dit is een bijzonder spannend onderzoeksgebied.”
De ontdekking van GW170814 door de LIGO-Virgo Collaboration is geaccepteerd voor publicatie in het vaktijdschrift Physical Review Letters.
Natuurkundigen van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef), de Vrije Universiteit Amsterdam en de Universiteit Maastricht, en sterrenkundigen van de Radboud Universiteit zijn direct betrokken bij dit onderzoek. Lees verderop meer details over deze Nederlandse bijdrage.
Het LIGO-Virgo-netwerk voor zwaartekrachtgolfwetenschapNa de jarenlange Advanced Virgo-upgrade en maanden van intensieve evaluatie en tests om de gevoeligheid te verbeteren, sloot de Virgo-detector zich op 1 augustus 2017 om 12:00 uur Nederlandse tijd aan bij ‘Observation Run 2’ (O2). De real-timedetectie werd gezien in alle drie de LIGO en Virgo-instrumenten. Hoewel Virgo momenteel minder gevoelig is dan LIGO, leverden twee onafhankelijke zoekalgoritmen in alle beschikbare informatie van de drie detectoren ook het bewijs van een signaal in de Virgo-data.
De samenwerking tussen LIGO en Virgo is de laatste tien jaar gegroeid. Gezamenlijke meetings en data-analyses hebben de gemeenschap samengebracht. De gecoördineerde planning van de observation runs, met alle detectoren in het netwerk operationeel, is belangrijk om tot de maximale wetenschappelijke output te komen. Vooral de enorm verbeterde bronlokalisatie is veelbelovend voor de toekomst van de multi-messenger-astronomie. Aanvullende resultaten op basis van het netwerk met de drie detectoren worden binnenkort aangekondigd door de LIGO-Virgo Collaboration; op dit moment wordt de laatste hand gelegd aan de data-analyse.
"Fantastisch dat Virgo zijn eerste zwaartekrachtgolf heeft gedetecteerd,” zegt Frank Linde, leider van het zwaartekrachtgolvenprogramma bij Nikhef. “Nikhef heeft hier sinds 2006 naar toe gewerkt. Nu kijk ik uit naar het begin van een nieuw speerpunt binnen APPEC (het Astroparticle Physics European Consortium): de multi-messenger-exploratie van ons heelal.”
Want met een nauwkeurige bronlokalisatie kunnen wetenschappers met verschillende typen telescopen –optisch, neutrino en kosmische stralen, vandaar de naam multi-messenger– direct gericht gaan zoeken naar signalen daar waar een zwaartekrachtgolf aangeeft dat iets gigantisch op het punt staat te gebeuren. Dit omdat een zwaartekrachtgolf als enige juist al kort (seconden) voor een samensmelting of explosie uitgezonden wordt.
"Geweldig dat we nu met Virgo erbij de positie van de bronnen veel beter kunnen bepalen," voegt Samaya Nissanke, leider van de Virgo-groep aan de Radboud Universiteit, toe. "Op die manier kunnen we echt serieus gaan zoeken naar elektromagnetische signalen van dezelfde bronnen."
Lokalisatie van de bron
Het gebied aan de hemel waar de bron zich hoogstwaarschijnlijk bevindt, slinkt enorm wanneer een netwerk met twee detectoren wordt uitgebreid naar drie. In het geval van GW170814 gaat het om een gebied van 60 vierkante graden, 10 keer beter dan voor de twee LIGO-interferometers alleen. De toevoeging van Virgo vergroot ook de nauwkeurigheid waarmee de afstand tot de bron kan worden gemeten. Een kleiner zoekvolume is belangrijk, omdat veel samensmeltingen van compacte objecten – bijvoorbeeld neutronensterren – naar verwachting naast zwaartekrachtgolven een breed spectrum aan elektromagnetische straling uitzenden.
Polarisatie van zwaartekrachtgolven
Virgo reageert niet op exact dezelfde manier op een passerende zwaartekrachtgolf als de LIGO-detectoren vanwege zijn locatie op aarde, maar daardoor kan wel een andere voorspelling worden getest uit Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie. Die heeft te maken met de polarisatie van zwaartekrachtgolven. Polarisatie beschrijft hoe de ruimtetijd wordt vervormd in drie verschillende richtingen wanneer een zwaartekrachtgolf zich erdoor voorplant.
Dankzij de toevoeging van Virgo aan het nu wereldwijde netwerk van detectoren, kunnen we voor het eerst iets zeggen over hoe zwaartekrachtsgolven gepolariseerd zijn," zegt Chris Van Den Broeck van Nikhef, tevens mede-leider van de LIGO-Virgo werkgroep die de algemene relativiteitstheorie test. "De eerste resultaten laten zien dat Einsteins theorie er ook hier goed uit komt."