Op 11 februari 2016 schreven wetenschappers van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) geschiedenis toen ze de allereerste detectie van gravitatiegolven (GW's) aankondigden. Sinds die tijd hebben meerdere detecties plaatsgevonden en wetenschappelijke samenwerkingen tussen observatoria - zoals Advanced LIGO en Advanced Virgo - zorgen voor ongekende niveaus van gevoeligheid en het delen van gegevens.
Eerder waren zeven van dergelijke gebeurtenissen bevestigd, waarvan er zes werden veroorzaakt door de fusies van binaire zwarte gaten (BBH) en één door de fusie van een binaire neutronenster. Maar op zaterdag 1 december presenteerde een team van wetenschappers, de LIGO Scientific Collaboration (LSC) en Virgo Collaboration, nieuwe resultaten die duidden op de ontdekking van nog vier gravitatiegolfgebeurtenissen. Dit brengt het totaal aantal GW-gebeurtenissen dat in de afgelopen drie jaar is gedetecteerd op elf.
De presentatie, getiteld "Binaire Black Hole-populatie-eigenschappen afgeleid van de eerste en tweede waarnemingsruns van Advanced LIGO en Advanced Virgo", werd gemaakt tijdens de Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop (GWPAW) 2018 - die plaatsvond van 1 december tot 1 december 4e aan de Universiteit van Maryland.
Georganiseerd door het Joint Space-Science Institute (JSI), een partnerschap tussen de Universiteit van Maryland en NASA's Goddard Space Flight Center, brengt dit jaarlijkse evenement wetenschappers en onderzoekers van over de hele wereld samen om huidige en toekomstige problemen met betrekking tot de detectie en studie van gravitatiegolven.
Tijdens de presentatie presenteerde Michael Pürrer - een senior wetenschapper in de afdeling Astrophysical and Cosmological Relativity bij AEI Potsdam - zaterdag de resultaten van de eerste catalogus bij GWPAW namens de LIGO Scientific Collaboration en Virgo Collaboration. Deze omvatten de zeven eerder gedetecteerde gebeurtenissen en de vier recente detecties. Zoals hij tijdens de presentatie zei:
“In deze catalogus presenteren we een grondige analyse van alle 11 gravitatiegolfdetecties gevonden in O1 en O2. We vertrouwen op state-of-the-art modellen van de zwaartekrachtsgolfvorm die wordt uitgezonden door deze catastrofale gebeurtenissen om de massa, de spins en de getijdenvervormingen van de binaire bestanden af te leiden. Ik ben erg trots dat ik deel heb uitgemaakt van deze buitengewone inspanning van de LIGO Scientific Collaboration en Virgo Collaboration. ”
De nieuwe gebeurtenissen, die allemaal het resultaat waren van BBH-fusies, worden aangeduid met GW170729, GW170809, GW170818 en GW170823 op basis van de datums waarop ze zijn ontdekt. Alle vier werden gedetecteerd tijdens de tweede waarnemingsrun (O2) van LIGO en VIRGO, die duurde van 30 november 2016 tot 25 augustus 2017.
Alessandra Buonanno, de directeur van de divisie Astrofysische en Kosmologische Relativiteit bij AEI-Potsdam en de professor van het College Park aan de Universiteit van Maryland, leverde een belangrijke bijdrage aan deze recente vondsten. Zoals ze aangaf in een recent persbericht van AEI:
“Dankzij de modernste golfvormmodellen, geavanceerde gegevensverwerking en betere kalibratie van de instrumenten, hebben we de astrofysische parameters van eerder aangekondigde gebeurtenissen nauwkeuriger kunnen afleiden. Ik kijk uit naar de volgende observatierun in het voorjaar van 2019, waar we naar verwachting meer dan twee black-hole fusies per maand verzamelde gegevens zullen detecteren! ”
Volgens de resultaten van het team omvatten de waargenomen BBH's een breed scala aan componentmassa's, van 7,6 tot 50,6 zonsmassa's. Het team ontdekte ook dat in twee van de BBH's (GW151226 en GW170729) het zeer waarschijnlijk is dat ten minste een van de zwarte gaten draait. Maar het belangrijkste van alles is dat de nieuwe detecties twee nieuwe records vestigden in de studie van GW's.
Zo stond de gebeurtenis die bekend staat als GW170818 met de grootste nauwkeurigheid in de hemel op het noordelijk hemelgebied door de LIGO- en Maagd-observatoria. In feite werd het geïdentificeerd met een precisie van 39 vierkante graden (195 keer de schijnbare grootte van de volle maan), waardoor het tot nu toe de best gelokaliseerde BBH is.
Bovendien was de gebeurtenis die bekend staat als GW170729 de tot nu toe meest massieve en verre bron van zwaartekrachtgolven. Naast een zwart gatpaar met een gecombineerde massa van meer dan 50 keer die van de zon, vond de fusie 5 miljard jaar geleden plaats en kwam het equivalent van bijna vijf zonsmassa's vrij in de vorm van zwaartekrachtstraling.
Vooruitblikkend hoopt het team meer ontdekkingen te doen tijdens de derde observatierun (O3) van Advanced LIGO en Virgo, die naar verwachting begin 2019 zal starten. Deze run zal profiteren van verdere gevoeligheidsupgrades voor LIGO en Virgo, evenals de opname van het Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) observatorium in Japan (mogelijk tegen het einde van O3).
Zoals Karsten Danzmann, de directeur van de divisie Laserinterferometrie en gravitatiegolfastronomie bij AEI-Hannover, zei:
"Ik ben blij dat veel van de geavanceerde detectortechnologieën die bij onze GEO600-detector zijn ontwikkeld, hebben bijgedragen aan het zo gevoelig maken van de O2-run en dat in O3 een andere technologie die is gepionierd bij GEO600, geperst licht, zal worden gebruikt in LIGO en Virgo."
Met deze upgrades en de toevoeging van KAGRA worden de komende jaren vele tientallen GW-evenementen verwacht als gevolg van de fusie van binaire systemen. Deze laatste resultaten bieden ook verdere validatie van de LIGO- en Virgo-observatoria-instrumenten, evenals de effectiviteit van de internationale samenwerking erachter.
En met de detectie van vier extra GW-gebeurtenissen is het aantal casestudy's waar wetenschappers inzichten uit kunnen halen met bijna 50% gegroeid. Door dit te doen, zullen ze meer te weten kunnen komen over de populatie van binaire systemen die GW-gebeurtenissen veroorzaken, om nog maar te zwijgen over de snelheid waarmee dit soort fusies plaatsvinden.
De resultaten van de zoekopdrachten van het team werden ook gepresenteerd in twee artikelen die onlangs online verschenen. Het eerste artikel, “GWTC-1: A Gravitational-Wave Transient Catalogue of Compact Binary Mergers Observed by LIGO and Virgo during the First and Second Observing Runs”, presenteert een gedetailleerde catalogus van alle gravitatiegolfdetecties.
Het tweede artikel, "Binaire Black Hole-populatie-eigenschappen afgeleid uit de eerste en tweede waarnemingsruns van Advanced LIGO en Advanced Virgo", beschrijft de kenmerken van de samenvoegende populatie van zwarte gaten. LIGO wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF) en wordt beheerd door Caltech en het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
