Wetenschappers hebben voor het eerst rimpelingen in de ruimtetijd waargenomen, ook wel zwaartekrachtgolven genoemd. Deze zwaartekrachtgolven bereikten de aarde vanuit een uiterst heftige gebeurtenis in het heelal. Deze eerste waarneming van zwaartekrachtgolven bevestigt een belangrijke voorspelling uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein uit 1915 en opent een nieuw venster op de kosmos.
Zwaartekrachtgolven bevatten informatie over hun turbulente oorsprong en de aard van de zwaartekracht die op geen enkele andere manier kan worden verkregen. Natuurkundigen hebben geconcludeerd dat de waargenomen zwaartekrachtgolven hun oorsprong vonden in het laatste fractie van een seconde van de samensmelting van twee zwarte gaten, wat resulteerde in één enkel, zwaarder, ronddraaiend zwart gat. Tot nu toe was de samensmelting van twee zwarte gaten alleen voorspeld, maar nog nooit waargenomen.
De zwaartekrachtgolven werden op 14 september 2015 om 10.51 uur Nederlandse tijd gedetecteerd door beide detectoren van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), gelegen in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington, in de Verenigde Staten. De LIGO-observatoria worden gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF). Ze zijn ontworpen, gebouwd en worden beheerd door Caltech en MIT.
De ontdekking, die is geaccepteerd voor publicatie in *Physical Review Letters*, is gedaan door de LIGO Scientific Collaboration (waaronder de GEO Collaboration en het Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) en de Virgo Collaboration, op basis van gegevens van de twee LIGO-detectoren.
Nederlandse wetenschappers spelen een sleutelrol bij de ontdekking van zwaartekrachtgolven
Nederlandse wetenschappers zijn nauw betrokken bij deze baanbrekende ontdekking. Als leden van de „LIGO Scientific Collaboration – Virgo Collaboration“ (LVC) hebben natuurkundigen van het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) en de Vrije Universiteit Amsterdam, samen met astronomen van de Radboud Universiteit, cruciale bijdragen geleverd aan de validatie van de metingen en de analyse van de gegevens over deze zwaartekrachtgolven, en hebben zij meegewerkt aan de astrofysische interpretatie. Lees hieronder meer details over deze Nederlandse bijdrage.
Enthousiaste reacties
Minister Jet Bussemaker en staatssecretaris Sander Dekker van Wetenschap zijn verheugd over deze historische wetenschappelijke ontdekking: „Dit toont het belang aan van fundamenteel onderzoek, dat de basis vormt voor onze kennis over het leven van vandaag, maar ook over onze geschiedenis en het ontstaan van het heelal. Dat Einsteins voorspelling na 100 jaar is uitgekomen, is een groot postuum eerbetoon aan Einstein, maar zeker ook aan de wetenschappers van vandaag. Onze felicitaties gaan in het bijzonder uit naar de natuurkundigen van het Nederlandse instituut Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam, evenals naar de astronomen van de Radboud Universiteit, die hebben bijgedragen aan deze prestatie van wereldklasse.”
“Ongelooflijk – wat een prachtige ontdekking. Mijn felicitaties gaan ook uit naar de betrokken Nikhef-wetenschappers en hun collega’s bij LIGO en Virgo. De waarneming van de samensmelting van twee zwarte gaten is het punt waar de uiterste precisie in kennis en instrumentatie samenkomt met de meest onverschrokken verbeeldingskracht,” zegt Stan Bentvelsen, directeur van Nikhef.
Zwaartekrachtsgolfspecialist Jo van den Brand, hoogleraar subatomaire fysica aan de Vrije Universiteit Amsterdam en initiatiefnemer en leider van het zwaartekrachtfysicaprogramma van Nikhef, voegt hieraan toe: “Wat we hebben gemeten is fantastisch. Het gedetecteerde signaal is zo duidelijk dat het met het blote oog in de ruwe gegevens te zien is. Een verrassend aspect van deze ontdekking is dat de zwarte gaten die zijn samengesmolten veel zwaarder zijn dan de zwarte gaten die we kennen uit dubbelsterrenstelsels in onze Melkweg.”
Chris Van Den Broeck, wetenschapper bij Nikhef, is een van de twee coördinatoren die toezicht houden op alle gegevensanalyse met betrekking tot de meting. Hij en zijn collega’s hebben maandenlang aan de gedetailleerde analyse gewerkt: „Het signaal komt precies overeen met wat je volgens de theorie van Einstein zou verwachten. Nu kunnen we de theorie in de meest extreme situaties toetsen.”
Astronoom Gijs Nelemans (Radboud Universiteit & KU Leuven, en verbonden aan Nikhef) is eveneens zeer enthousiast: „Dit markeert het begin van een nieuw tijdperk voor de astronomie. We krijgen een geheel nieuwe manier om naar het heelal te kijken en de meest extreme objecten ervan te bestuderen. Met de nieuwe instrumenten kunnen we voor het eerst het einde van de complexe evolutie van massieve dubbelsterren precies vaststellen.”
“Bouwstenen van materie, grondslagen van ruimte en tijd.” Dat is de naam van een van de zestien voorbeeldtrajecten van de Nationale Wetenschapsagenda. Dit fundamentele en door nieuwsgierigheid gedreven thema is gebaseerd op vragen die door het Nederlandse publiek zijn gesteld. “Dit onderzoek sluit daar direct op aan”, zegt Bentvelsen. “Een van de meest prangende vragen is: ‘Wat is de ware aard van zwaartekracht, ruimte en tijd, en wat kunnen we bijvoorbeeld leren van zwarte gaten?’ De ontdekking van zwaartekrachtgolven is een belangrijke stap in de richting van een antwoord op deze vraag.”
Over LIGO en Virgo
Het LIGO-onderzoek wordt uitgevoerd door de LIGO Scientific Collaboration (LSC), een groep van meer dan 1.000 wetenschappers van universiteiten in de Verenigde Staten en 14 andere landen. Meer dan 90 universiteiten en onderzoeksinstituten binnen de LSC ontwikkelen detectortechnologie en analyseren gegevens; ongeveer 250 studenten leveren als leden van de samenwerking een belangrijke bijdrage. Het LSC-detectornetwerk bestaat uit de LIGO-interferometers en de GEO600-detector. Het GEO-team bestaat uit wetenschappers van het Max Planck-instituut voor zwaartekrachtfysica (Albert Einstein Instituut, AEI) en de Leibniz-universiteit Hannover, samen met partners van de Universiteit van Glasgow, de Universiteit van Cardiff, de Universiteit van Birmingham, andere universiteiten in het Verenigd Koninkrijk en de Universiteit van de Balearen in Spanje.
Het Virgo-onderzoek wordt uitgevoerd door de Virgo-samenwerking, die bestaat uit meer dan 250 natuurkundigen en ingenieurs uit 19 verschillende Europese onderzoeksgroepen: zes van het Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankrijk; acht van het Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italië; twee in Nederland bij het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef); het Wigner RCP in Hongarije; de POLGRAW-groep in Polen; en het European Gravitational Observatory (EGO), het laboratorium waar de Virgo-detector bij Pisa, Italië, is ondergebracht.
Virgo is tot stand gekomen dankzij de visionaire ideeën van Alain Brillet en Adalberto Giazotto. De detector is ontworpen met behulp van innovatieve technologieën die het mogelijk maakten de gevoeligheid uit te breiden naar het laagfrequente bereik. De bouw begon in 1994 en werd gefinancierd door het CNRS en het INFN; sinds 2007 delen Virgo en LIGO gegevens van alle interferometers in het internationale netwerk en analyseren deze gezamenlijk. Na de start van de LIGO-upgrade bleef Virgo tot 2011 gegevens verzamelen.
Vervolgens werd het Advanced Virgo-project gelanceerd, gefinancierd door het CNRS, het INFN en Nikhef: de nieuwe detector zal naar verwachting nog voor het einde van het jaar operationeel worden. Daarnaast leveren diverse instituten en universiteiten uit de vijf Europese landen die deel uitmaken van de Virgo-samenwerking een bijdrage aan de upgrade van Advanced Virgo en aan de inspanningen rondom de ontdekking.
LIGO werd oorspronkelijk in de jaren tachtig voorgesteld als een methode om zwaartekrachtgolven te detecteren door Rainer Weiss, emeritus hoogleraar natuurkunde aan het MIT; Kip Thorne, Richard P. Feynman-emeritus hoogleraar theoretische natuurkunde aan Caltech; en Ronald Drever, eveneens emeritus hoogleraar natuurkunde aan Caltech.
De ontdekking werd mogelijk gemaakt door de verbeterde mogelijkheden van Advanced LIGO, een ingrijpende upgrade die de gevoeligheid van de instrumenten ten opzichte van de LIGO-detectoren van de eerste generatie verhoogt. Hierdoor kan het onderzochte deel van het heelal aanzienlijk worden uitgebreid. Ook maakte het de detectie van zwaartekrachtgolven tijdens de eerste observatiecyclus mogelijk. De Amerikaanse National Science Foundation neemt het voortouw bij de financiële ondersteuning van Advanced LIGO. Financieringsorganisaties in Duitsland (Max Planck-Genootschap), het Verenigd Koninkrijk (Science and Technology Facilities Council, STFC) en Australië (Australian Research Council) hebben eveneens aanzienlijke steun aan het project verleend. Verschillende van de sleuteltechnologieën die Advanced LIGO zo veel gevoeliger hebben gemaakt, zijn ontwikkeld en getest door de Duits-Britse GEO-samenwerking. Aanzienlijke rekenkracht werd bijgedragen door het AEI Hannover Atlas Cluster, het LIGO Laboratory, Syracuse University en de University of Wisconsin-Milwaukee. Diverse universiteiten hebben sleutelcomponenten van Advanced LIGO ontworpen, gebouwd en getest: de Australian National University, de University of Adelaide, de University of Florida, Stanford University, Columbia University in New York en Louisiana State University.
Nederlandse bijdragen:
Binnen de LIGO-Virgo-samenwerking levert Nikhef belangrijke bijdragen aan zowel de instrumentatie als de gegevensanalyse. Dit omvat met name software voor het detecteren en modelleren van zwaartekrachtgolven afkomstig van samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren, evenals voor het zoeken naar continue zwaartekrachtgolven van bijvoorbeeld snel roterende neutronensterren in dubbelstersystemen.
Voor de Advanced Virgo-detector – die dit jaar in gebruik zal worden genomen als uitbreiding van het LVC-netwerk – is Nikhef verantwoordelijk voor de seismische isolatie en voor optische sensoren die zijn ontworpen om de stabiele werking van het instrument te waarborgen. Verder speelt Nikhef een sleutelrol in het Einstein Telescope-project, een toekomstig observatorium voor zwaartekrachtgolven.
Astronomen aan de Radboud Universiteit richten zich op de astrofysische interpretatie van zwaartekrachtgolfgegevens en de integratie daarvan met gegevens van traditionele telescopen. Daartoe ontwikkelen zij onder andere de BlackGEM-telescoop binnen de Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie (NOVA).
Over Nikhef
Het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) verricht onderzoek op het gebied van de deeltjes- en astrodeeltjesfysica. Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek naar Materie (FOM) en vijf universiteiten: de Vrije Universiteit Amsterdam, de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Rijksuniversiteit Groningen. FOM maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Share
Media contact
