De zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO in de VS en Virgo in Italië hebben in een alomvattende analyse van alle metingen sinds 2015 signalen van nog eens vier botsingen van zwarte gaten in het heelal geïdentificeerd. Het totaal aantal gemeten zwaartekrachtsgolven komt daarmee nu op elf. Tien daarvan kwamen van botsende zwarte gaten, één van twee botsende neutronensterren.
Bij de vier nieuwe metingen zit ook het verste signaal van elkaar opslokkende zwarte gaten dat ooit is gemeten. Dat komt van een botsing op circa vijf miljard lichtjaar afstand van de aarde tussen het zwaarste paar zwarte gaten dat tot nog toe is gezien: 85 maal de massa van de zon. Bij die botsing werd de energie van vijf zonsmassa’s omgezet in trillingen van ruimte en tijd. Op 29 juli 2018 bereikten die rimpelingen de ultragevoelige laserdetectoren op aarde.
De meetresultaten zijn zaterdag bekend gemaakt op een conferentie in Maryland, en maandag online gepubliceerd. Fysici en astronomen van het Nederlands instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en de universiteiten van Nijmegen (Radboud) en Amsterdam (UvA en VU) hebben aan de analyses bijgedragen. Nikhef heeft meegebouwd aan de Virgo-detector bij Pisa in Italië, die sinds 2017 met de twee Amerikaanse LIGO-detectoren in Livingstone en Hanford samenwerkt.
‘Dit resultaat laat zien dat we met LIGO/Virgo nu gemiddeld aan ongeveer een registratie in de vijftien dagen meetwerk zitten’, zegt astrofysicus Patricia Schmidt van de Radboud Universiteit, een van leidende auteurs van de nieuwe publicatie, enthousiast. ‘Bijna een dozijn waarnemingen nu al is echt fantastisch, het laat zien dat gravitatiegolven van iets unieks een gewoon kosmisch signaal beginnen te worden. En vier nieuwe events. Beter hadden we niet kunnen wensen.’
Volgend jaar begint een nieuwe meetperiode van de Amerikaanse en Europese detectoren, waarbij mogelijk ook nog een nieuwe detector in Japan gaat aansluiten. Door de verspreiding van detectoren over de aardbol wordt het mogelijk om de bron van een signaal aan de hemel preciezer aan te wijzen. Astronomen kunnen op die plaatsen met hun telescopen speuren naar eventuele oplichtende bronnen.
Zwaartekrachtsgolven werden in 1915 voorspeld als een gevolg van de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein. Die stelt ruimte en tijd voor als een flexibel geheel, de ruimtetijd, waarvan de vervorming de zwaartekracht geeft. Heftige gebeurtenissen zoals paren versmeltende zwarte gaten kunnen in het weefsel van ruimtetijd golven teweegbrengen die lichtjaren verderop nog meetbaar zijn, als de rimpelingen in een vijver.
Bij een botsing draaien twee zwarte gaten in theorie eerst in een steeds nauwere spiraal steeds sneller om elkaar heen, tot ze contact maken en versmelten tot een nieuw zwart gat, dat daarna nog korte tijd natrilt. Bij de versmelting wordt een deel van de massa van de zwarte gaten omgezet in golven in de omliggende ruimtetijd.
Detectoren als LIGO en Virgo meten zulke golven als tijdelijke en periodieke lengteverschillen in twee haaks op elkaar geplaatste kilometers lange laseropstellingen. De trillingen zijn miniem en alleen met extreem nauwkeurige metingen aan te tonen. In de vorm en frequenties van het signaal zijn niettemin de spiralisatie en de versmelting goed af te lezen.
In 2015 registreerde de toen nieuwe LIGO-detectoren in Washington en Louisiana voor het eerst zo’n karakteristieke zwaartekrachtsgolf, een eeuw na Einsteins theorie. In augustus 2017 deed ook de toen nieuwe Virgo-detector in Italië enkele weken mee met de metingen. Drie van de vier nieuwe registraties stammen uit die korte gezamenlijke periode.
Een van de waarnemingen kwam een dag na een zwaartekrachtgolf die al eerder in de publiciteit werd gebracht, omdat die kwam van twee botsende neutronensterren. Anders dan zwarte gaten geven neutronensterren licht en ontstaat ook een energieflits bij de versmelting. Astronomen konden daardoor in 2017 na alarmering door LIGO-Virgo de exacte bron van de zwaartekrachtsgolf aan de hemel vinden in een ver sterrenstelsel.
Aan de nieuwe analyse is anderhalf jaar intensief gewerkt door een groot team van zowel LIGO als Virgo. Daarbij zijn alle metingen sinds 2015, eerst van LIGO en later samen met die van Virgo, zoveel mogelijk van ruis en achtergrondsignalen ontdaan. Met dergelijke data-cleaning zijn ook relatief zwakke signalen te vinden, die niet direct zijn opgemerkt.
Bovendien zijn off-line veel meer details van de trillingen te bestuderen, zegt Nikhef-onderzoeker Chris Van den Broeck. ‘Hoe de zwarte gaten naar elkaar toe spiraliseren en hoe na de fatale versmelting het nieuwe zwarte gat natrilt, is daar allemaal aan af te lezen.’ Van Den Broeck is een van de leiders van de data-analyse in de LIGO-Virgo samenwerking.
Een van de ‘hot topics’ bij de analyses van zwaartekrachtsgolven is de vraag of er aanwijzingen zijn dat de zwarte gaten zelf ook om hun as draaien. In een van de nieuwe metingen is voor het eerst direct bewijs gevonden voor spin van in ieder geval een van beide zwarte gaten, zegt Nikhef-onderzoeker Sarah Caudill, een specialist in draaiende zwarte gaten.
Caudill was de drijvende kracht bij de identificatie van het nieuwe event GW170818 door de drie detectoren van LIGO/Virgo gezamenlijk. Om statistische redenen leek het signaal daarvan aanvankelijk te onbeduidend. Combinatie van alle meetsignalen leverde vervolgens toch een van de fraaiste observaties van de versmelting van twee verre zwarte gaten, waarvan de positie nauwkeurig aan de hemel kon worden aangewezen. ‘Een huzarenstukje’, zegt Van Den Broeck over haar werk.
Wetenschappelijke artikelen hier en hier
Oorspronkelijke persbericht: Nikhef