Op 11 februari 2016 kondigden wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) de eerste detectie van gravitatiegolven aan. Deze ontwikkeling, die een voorspelling van Einstein's Theory of General Relativity een eeuw geleden bevestigde, heeft nieuwe wegen geopend voor onderzoek voor kosmologen en astrofysici. Sinds die tijd zijn er meer detecties gedaan, die allemaal het gevolg waren van het samensmelten van zwarte gaten.
De laatste detectie vond plaats op 14 augustus 2017, toen drie observatoria - de Advanced LIGO- en de Advanced Virgo-detectoren - gelijktijdig de zwaartekrachtsgolven detecteerden die werden gecreëerd door zwarte gaten samen te voegen. Het was voor het eerst dat zwaartekrachtsgolven werden gedetecteerd door drie verschillende faciliteiten van over de hele wereld, waarmee een nieuw tijdperk van wereldwijd genetwerkt onderzoek naar dit kosmische fenomeen werd ingeluid.
De studie waarin deze waarnemingen werden gedetailleerd, werd onlangs online gepubliceerd door de LIGO Scientific Collaboration en de Virgo Collaboration. Onder de titel "GW170814: A Three-Detector Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Coalescence", is deze studie ook geaccepteerd voor publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.
De gebeurtenis, aangeduid als GW170814, werd waargenomen op 14 augustus 2017 om 10:30:43 UTC (06:30:43 EDT; 03:30:43 PDT). De gebeurtenis werd gedetecteerd door de twee LIGO van de National Science Foundation detectoren (in Livingston, Louisiana en Hanford, Washington) en de Maagd-detector in de buurt van Pisa, Italië - die wordt beheerd door het National Center for Scientific Research (CNRS) en het National Institute for Nuclear Physics (INFN).
Hoewel het niet de eerste keer was dat zwaartekrachtsgolven werden gedetecteerd, was dit de eerste keer dat een gebeurtenis door drie observatoria tegelijkertijd werd gedetecteerd. Zoals France Córdova, de directeur van de NSF, zei in een recent persbericht van LIGO:
“Iets meer dan anderhalf jaar geleden kondigde NSF aan dat haar Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory de allereerste detectie van zwaartekrachtgolven had gedaan, die het gevolg was van de botsing van twee zwarte gaten in een melkwegstelsel op een miljard lichtjaar afstand. Vandaag zijn we verheugd om de eerste ontdekking aan te kondigen die gedaan is in samenwerking tussen het Virgo gravitational-wave observatorium en de LIGO Scientific Collaboration, de eerste keer dat een gravitatiegolfdetectie werd waargenomen door deze observatoria, duizenden kilometers van elkaar verwijderd. Dit is een opwindende mijlpaal in de groeiende internationale wetenschappelijke inspanning om de buitengewone mysteries van ons universum te ontsluiten. ”
Op basis van de gedetecteerde golven konden de LIGO Scientific Collaboration (LSC) en Virgo-samenwerking het type evenement bepalen, evenals de massa van de betrokken objecten. Volgens hun studie werd het evenement veroorzaakt door de samenvoeging van twee zwarte gaten - respectievelijk 31 en 25 zonsmassa's. Het evenement vond plaats op ongeveer 1,8 miljard lichtjaar van de aarde en resulteerde in de vorming van een draaiend zwart gat met ongeveer 53 zonsmassa's.
Dit betekent dat tijdens de fusie ongeveer drie zonsmassa's werden omgezet in zwaartekrachtsgolven, die vervolgens werden gedetecteerd door LIGO en Maagd. Hoewel indrukwekkend op zichzelf, is deze nieuwste detectie slechts een voorproefje van wat zwaartekrachtsgolfdetectoren zoals de LIGO- en Virgo-samenwerkingen kunnen doen nu ze hun gevorderde stadia zijn ingegaan, en in samenwerking met elkaar.
Zowel Advanced LIGO als Advanced Virgo zijn zwaartekrachtgolfdetectors van de tweede generatie die de vorige hebben overgenomen. De LIGO-faciliteiten, die werden bedacht, gebouwd en beheerd door Caltech en MIT, verzamelden gegevens zonder succes tussen 2002 en 2010. Vanaf september 2015 ging Advanced LIGO echter online en begon met het uitvoeren van twee observatieruns - O1 en O2.
Ondertussen heeft de originele Maagd-detector tussen 2003 en oktober 2011 waarnemingen verricht, opnieuw zonder succes. In februari 2017 begon de integratie van de Advanced Virgo-detector en de instrumenten gingen in april online. In 2007 werkten Virgo en LIGO ook samen om de gegevens van hun respectievelijke detectoren te delen en gezamenlijk te analyseren.
In augustus 2017 deed de Maagd-detector mee aan de O2-run en de allereerste gelijktijdige detectie vond plaats op 14 augustus, waarbij gegevens werden verzameld door alle drie de LIGO- en Maagd-instrumenten. Zoals LSC-woordvoerder David Shoemaker - een onderzoeker bij het Massachusetts Institute of Technology (MIT) - aangaf, is deze detectie slechts de eerste van vele verwachte gebeurtenissen.
'Dit is nog maar het begin van observaties waarbij het netwerk mogelijk is gemaakt door Maagd en LIGO die samenwerken', zei hij. "Met de volgende observatierun gepland voor herfst 2018, kunnen we dergelijke detecties wekelijks of zelfs vaker verwachten."
Dit betekent niet alleen dat wetenschappers een betere kans hebben om toekomstige gebeurtenissen te detecteren, maar ze zullen ze ook met een veel grotere nauwkeurigheid kunnen lokaliseren. In feite wordt verwacht dat de overgang van een netwerk met twee naar drie detectoren de kans vergroot dat de bron van GW170814 wordt bepaald door een fabriek van 20. Het hemelgebied voor GW170814 is slechts 60 vierkante graden - meer dan 10 keer kleiner dan met alleen gegevens van de interferometers van LIGO.
Daarnaast heeft de samenwerking ook bijgedragen aan de nauwkeurigheid waarmee de afstand tot de bron wordt gemeten. Laura Cadonati, een Georgia Tech-professor en de plaatsvervangend woordvoerder van de LSC, legde uit:
“Deze verhoogde precisie zal de hele astrofysische gemeenschap in staat stellen om uiteindelijk nog spannendere ontdekkingen te doen, waaronder multi-messenger-waarnemingen. Een kleiner zoekgebied maakt vervolgobservaties mogelijk met telescopen en satellieten voor kosmische gebeurtenissen die zwaartekrachtsgolven en lichtemissies veroorzaken, zoals de botsing van neutronensterren. ”
Uiteindelijk zal het brengen van meer detectoren in het zwaartekrachtsgolfnetwerk ook meer gedetailleerde tests van Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie mogelijk maken. David H. Reitze van Caltech, de uitvoerend directeur van het LIGO-laboratorium, prees ook het nieuwe partnerschap en wat het mogelijk zal maken.
"Met deze eerste gezamenlijke detectie door de geavanceerde LIGO- en Virgo-detectoren, zijn we een stap verder gegaan in de zwaartekrachtgolven", zei hij. "Maagd brengt een krachtige nieuwe mogelijkheid om zwaartekrachtsgolven te detecteren en beter te lokaliseren, een die ongetwijfeld zal leiden tot opwindende en onverwachte resultaten in de toekomst."
De studie van zwaartekrachtsgolven is een bewijs van het groeiende vermogen van 's werelds wetenschappelijke teams en de wetenschap van interferometrie. Decennia lang was het bestaan van gravitatiegolven slechts een theorie; en tegen de eeuwwisseling hadden alle pogingen om ze op te sporen niets opgeleverd. Maar de afgelopen anderhalf jaar zijn er meerdere detecties gedaan en de komende jaren worden er nog tientallen verwacht.
Bovendien, dankzij het nieuwe wereldwijde netwerk en de verbeterde instrumenten en methoden, zullen deze gebeurtenissen ons zeker boeken vertellen over ons universum en de fysica die het regeert.
