Zwaartekrachtsgolven gedetecteerd van tweede paar botsende zwarte gaten

15 juni 2016

– English follows Dutch –

Nikhef-persbericht

ZWAARTEKRACHTSGOLVEN GEDETECTEERD VAN TWEEDE PAAR BOTSENDE ZWARTE GATEN
De LIGO Scientific Collaboration en de Virgo collaboration identificeren een tweede zwaartekrachtsgolf-event in de data van de Advanced LIGO-detectoren. 

Op 26 december 2015 om 04:38:53 Nederlandse tijd hebben wetenschappers voor de tweede keer zwaartekrachtsgolven – rimpelingen in de ruimtetijd – waargenomen.

De zwaartekrachtsgolven zijn gedetecteerd door beide Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detectoren, 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 en gebouwd en worden gerund door Caltech en MIT. De ontdekking, die geaccepteerd is voor publicatie in Physical Review Letters, is gedaan door de LIGO Scientific Collaboration (inclusief de GEO Collaboration en het Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) en de Virgo Collaboration, gebruikmakend van data van de twee LIGO-detectoren.

Zwaartekrachtsgolven bevatten informatie over hun turbulente oorsprong en over de aard van zwaartekracht, die op geen andere manier kan worden verkregen. Natuurkundigen hebben geconcludeerd dat de gedetecteerde zwaartekrachtsgolven zijn ontstaan tijdens de laatste momenten van de samensmelting van twee zwarte gaten – met 14 en 8 keer de massa van de zon – waardoor één enkel, zwaarder, tollend zwart gat ontstond dat 21 keer de massa van de zon weegt.

“Het is geweldig dat we binnen een paar maanden al twee krachtige botsingen hebben gezien. Deze zwarte gaten zijn veel minder zwaar dan de zwarte gaten die geobserveerd zijn in de eerste detectie”, zegt Jo van den Brand, leider van Nikhef’s zwaartekrachtsgolven-programma en professor in de natuurkunde aan de Vrije Universiteit Amsterdam. “Het is een veelbelovende start van het in kaart brengen van de populatie van zwarte gaten in ons universum.”

Tijdens de samensmelting, die ongeveer 1,4 miljard jaar geleden plaatsvond, werd een hoeveelheid energie grofweg gelijk aan de massa van de zon omgezet in zwaartekrachtsgolven. Het waargenomen signaal komt van de laatste 27 omwentelingen van de zwarte gaten vóór hun samensmelting tot één zwart gat. Op basis van de aankomsttijd van de signalen (de golven kwam 1,1 millisecondes eerder aan in de Louisiana-detector dan in de Hanford-detector) kan de positie van de bron aan de hemel grofweg worden bepaald.

“Binnenkort kunnen we met drie detectoren nog veel beter de positie van de bronnen van  zwaartekrachtsgolven bepalen”, zegt Stan Bentvelsen, directeur van Nikhef. “Want de Europese interferometer Advanced Virgo staat op het punt om aan te sluiten bij de LIGO-interferometers en zal daarmee een significante bijdrage gaan leveren aan het detectienetwerk van zwaartekrachtsgolven.”

Samaya Nissanke, sterrenkundige en Excellence Fellow van de Radboud Universiteit vult aan: “Daarmee kunnen we dan veel efficiënter elektromagnetische telescopen richten en zo de fysica van het samensmelten van zwarte gaten en neutronensterren bestuderen.”

Nederlandse wetenschappers spelen belangrijke rol bij ontdekking zwaartekrachtsgolven

Net als bij de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven waren Nederlandse wetenschappers ook nauw betrokken bij deze tweede detectie. 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, en sterrenkundigen van de Radboud Universiteit cruciale bijdragen geleverd aan de validatie van de meting, de data-analyse van deze zwaartekrachtsgolven, en meegewerkt aan de astrofysische interpretatie. Lees verderop meer details over deze Nederlandse bijdrage.

“Omdat we bij dit nieuwe event veel meer omwentelingen van de twee zwarte gaten konden waarnemen voorafgaand aan de samensmelting, konden weer andere aspecten van de algemene relativiteitstheorie onder de loep worden  genomen. De manier waarop zwaartekrachtsgolven eerst worden opgewekt door  de snel om elkaar heen bewegende zwarte gaten en dan worden verstrooid door de sterke ruimtetijdkromming in hun buurt, kon in detail worden gemeten. De resultaten van de analyses uitgevoerd op Nikhef zijn ook hier in overeenstemming met de voorspellingen van Einsteins theorie”, zegt Chris Van Den Broeck, coördinator data-analyse van de collaboratie en Nikhef-onderzoeker.

De eerste detectie van zwaartekrachtsgolven, bekend gemaakt op 11 februari 2016, was een mijlpaal in de natuurkunde en astronomie; het bevestigde een belangrijke voorspelling van Albert Einstein’s relativiteitstheorie uit 1915, en markeerde de start van de nieuwe richting van zwaartekrachtsgolven-astronomie.

“Met het blootleggen van deze populatie van zwarte gaten zijn we begonnen met zwaartekrachtsgolven-astronomie. Het is een opwindende week met eerst de uitstekende werking van LISA-Pathfinder en nu weer een botsing van zwarte gaten”, zegt sterrenkundige Gijs Nelemans  van de Radboud Universiteit & KU Leuven, en verbonden aan Nikhef.

Beide ontdekkingen zijn mogelijk gemaakt door de verbeterde capaciteiten van Advanced LIGO, een belangrijke upgrade die de gevoeligheid van de instrumenten verbetert ten opzichte van de eerste generatie LIGO-detectoren. Dit maakt het mogelijk om het volume van het heelal dat bestudeerd wordt, sterk te vergroten.

Advanced LIGO’s volgende data-taking run zal deze herfst beginnen. Het is de verwachting dat tegen die tijd verdere verbeteringen van de detectorgevoeligheid van LIGO het mogelijk maken om 1,5 tot 2 keer zoveel volume van het universum te bereiken. De Advanced Virgo-detector sluit naar verwachting aan in de tweede helft van de aankomende run.

Over LIGO en Virgo

LIGO-onderzoek wordt uitgevoerd door de LIGO Scientific Collaboration (LSC), een groep van meer dan 1000 wetenschappers van universiteiten in Amerika en 14 andere landen. Meer dan 90 universiteiten en onderzoeksinstituten in de LSC ontwikkelen detectortechnologie en analyseren data; ongeveer 250 studenten leveren als leden van de collaboratie grote bijdragen. Het LSC-detectornetwerk bestaat uit de LIGO-interferometers en de GEO600-detector.

Virgo-onderzoek wordt uitgevoerd door de Virgo Collaboration, bestaande uit meer dan 250 natuurkundigen en technici van 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 met het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef); het MTA Wigner RCP in Hongarije; de POLGRAW-groep in Polen en de European Gravitational Observatory (EGO), het laboratorium waar de Virgo-detector gehuisvest is nabij Pisa in Italië.

De US National Science Foundation neemt de leiding in de financiële ondersteuning voor Advanced LIGO. Financieringsorganisaties in Duitsland (Max Planck Society), Groot-Brittannië (Science and Technology Facilities Council, STFC) en Australië (Australian Research Council) hebben ook significante steun gegeven aan het project.

Meerdere van de belangrijkste technologieën die Advanced LIGO zoveel gevoeliger hebben gemaakt zijn ontwikkeld en getest door de German UK GEO collaboratie. Aanzienlijke computer resources zijn bijgedragen door het AEI Hannover Atlas Cluster, het LIGO Laboratory, Syracuse University, het ARCCA cluster van Cardiff University, de University of Wisconsin-Milwaukee, en het Open Science Grid. Verschillende universiteiten hebben belangrijke componenten van Advanced LIGO ontworpen, gebouwd en getest: de Australian National University, de University of Adelaide, de University of Western Australia, de University of Florida, Stanford University, Columbia University in the City of New York, en Louisiana State University. Het GEO-team bestaat uit wetenschappers van de Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, samen met partners van de University of Glasgow, Cardiff University, de University of Birmingham, andere universiteiten in Groot-Brittannië en Duitsland en de University of the Balearic Islands in Spanje.

Nederlandse bijdragen

Nikhef levert binnen de LIGO-Virgo-samenwerking belangrijke bijdragen zowel aan instrumentatie als aan data-analyse. Met name software voor het detecteren en modelleren van zwaartekrachtsgolven afkomstig van samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren, maar ook voor de zoektocht naar continue zwaartekrachtsgolven van bijvoorbeeld sneldraaiende neutronensterren in binaire systemen.

Voor de Advanced Virgo-detector, die als uitbreiding van het LVC-netwerk dit jaar in gebruik genomen zal worden, is Nikhef verantwoordelijk voor seismische isolatie en voor optische sensoren die de stabiele werking van het instrument moeten garanderen. Verder speelt Nikhef een belangrijke rol binnen het Einstein Telescope project, een toekomstig observatorium voor zwaartekrachtsgolven.

De sterrenkundigen van de Radboud Universiteit richten zich op de astrofysische interpretatie en het combineren van zwaartekrachtsgolfinformatie met gegevens van traditionele telescopen. Daarvoor ontwikkelen ze binnen de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA) onder andere de BlackGEM-telescoop.

Over Nikhef

Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) verricht onderzoek op het gebied van deeltjes- en astrodeeltjesfysica. Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der 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). www.nikhef.nl
De Radboud Universiteit is daarnaast zelfstandig lid van Virgo.

Meer informatie

Beeldmateriaal en achtergrondinformatie vindt u op http://www.nikhef.nl/media

U kunt contact opnemen met:

Afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef
Dr. Vanessa Mexner
mail – Tel 020 592 5075 / 020 592 2075

Prof. Dr. Jo van den Brand
Programmaleider van de gravitatiefysica-groep van Nikhef en hoogleraar in de subatomaire fysica aan de Vrije Universiteit Amsterdam
mail
– Tel 020 592 2015 / 06 20539484

Prof. Dr. Stan Bentvelsen
Directeur Nikhef
mail – Tel 020 5925001 / 06 51111284

Dr. Chris van den Broeck
Senior-onderzoeker gravitatiefysica-groep van Nikhef
mail – Tel 020 592 2053

Prof. Dr. Gijs Nelemans
Hoogleraar sterrenkunde, Radboud Universiteit en KU Leuven en verbonden aan Nikhef
mail – Tel 024 365 2983 / 06 45120189

 


Link naar Physical Review Letters



Nikhef press release

GRAVITATIONAL WAVES DETECTED FROM SECOND PAIR OF COLLIDING BLACK HOLES
The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo collaboration identify a second gravitational wave event in the data from Advanced LIGO

On December 26, 2015 at 04:38:53 Dutch time, scientists observed gravitational waves – ripples in the fabric of spacetime – for the second time.

The gravitational waves were detected by both of the twin Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, USA. The LIGO Observatories are funded by the National Science Foundation (NSF), and were conceived, built, and are operated by Caltech and MIT. The discovery, accepted for publication in the journal Physical Review Letters, was made by the LIGO Scientific Collaboration (which includes the GEO Collaboration and the Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) and the Virgo Collaboration using data from the two LIGO detectors.

Gravitational waves carry information about their origins and about the nature of gravity that cannot otherwise be obtained, and physicists have concluded that these gravitational waves were produced during the final moments of the merger of two black holes—14 and 8 times the mass of the sun—to produce a single, more massive spinning black hole that is 21 times the mass of the sun.

“It’s fantastic that we have already observed two powerful mergers within a few months. These black holes are much less massive than those observed in the first detection,” says Jo van den Brand, leader of the gravitational physics group at Nikhef and Professor of Subatomic Physics at VU University Amsterdam. “It is a promising start to mapping the population of black holes in our universe.”

During the merger, which occurred approximately 1.4 billion years ago, a quantity of energy roughly equivalent to the mass of the sun was converted into gravitational waves. The detected signal comes from the last 27 orbits of the black holes before their merger. Based on the arrival time of the signals—with the Livingston detector measuring the waves 1.1 milliseconds before the Hanford detector—the position of the source in the sky can be roughly determined.

“Before long, we will have three detectors that will be able to much more accurately determine the position of the sources of gravitational waves,” says Stan Bentvelsen, director of Nikhef. “This is because the European interferometer Advanced Virgo is about to join the LIGO interferometers and this will enable it to deliver a significant contribution to the detection network of gravitational waves.”

Samaya Nissanke, astronomer and Excellence Fellow of the Radboud University adds: “With this, we can more effectively point electromagnetic telescopes and thus study the physics of the mergers of black holes and neutron stars.”

Dutch scientists played an important role in the discovery of gravitational waves

Just like with the first detection of gravitational waves, Dutch scientists were closely involved in this second detection. As members of the ‘LIGO Scientific Collaboration – Virgo Collaboration’ (LVC) physicists from the National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) and VU University Amsterdam, as well as astronomers from Radboud University made vital contributions to validating the measurement, to the data analysis for these gravitational waves, and they collaborated on the astrophysical interpretation. More details about the Dutch contribution can be found further on in this press release.

“Because we could observe many more orbital cycles of the two black holes before the merger, we were able to study different aspects of the theory of general relativity than before. The way in which gravitational waves are first generated by the black holes that swiftly move around each other, and are then scattered by the strong curvature of spacetime in their vicinity, was measured in detail. The results of the analyses done at Nikhef are also for this event in accordance with the predictions of Einstein’s theory,” says Chris Van Den Broeck, coordinator data-analysis of the collaboration and Nikhef researcher.

The first detection of gravitational waves, announced on February 11, 2016, was a milestone in physics and astronomy; it confirmed a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity, and marked the beginning of the new field of gravitational-wave astronomy.

“By uncovering this population of black holes, we made a start with gravitational-wave astronomy. It is a very exciting week with first the excellent operations of LISA-Pathfinder and now another merger of black holes,” says astronomer Gijs Nelemans of the Radboud University & KU Leuven, and affiliated to Nikhef.

Both discoveries were made possible by the enhanced capabilities of Advanced LIGO, a major upgrade that increases the sensitivity of the instruments compared to the first generation LIGO detectors, enabling a large increase in the volume of the universe probed.

Advanced LIGO’s next data-taking run will begin this fall. By then, further improvements in detector sensitivity are expected to allow LIGO to reach as much as 1.5 to 2 times more of the volume of the universe. The Virgo detector is expected to join in the latter half of the upcoming observing run.

About LIGO and Virgo

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of more than 1,000 scientists from universities around the United States and in 14 other countries. More than 90 universities and research institutes in the LSC develop detector technology and analyze data; approximately 250 students are strong contributing members of the collaboration. The LSC detector network includes the LIGO interferometers and the GEO600 detector.

Virgo research is carried out by the Virgo Collaboration, consisting of more than 250 physicists and engineers belonging to 19 different European research groups: 6 from Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France; 8 from the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy; 2 in The Netherlands with Nikhef; the MTA Wigner RCP in Hungary; the POLGRAW group in Poland and the European Gravitational Observatory (EGO), the laboratory hosting the Virgo detector near Pisa in Italy.

The NSF leads in financial support for Advanced LIGO. Funding organizations in Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities Council, STFC) and Australia (Australian Research Council) also have made significant commitments to the project.

Several of the key technologies that made Advanced LIGO so much more sensitive have been developed and tested by the German UK GEO collaboration. Significant computer resources have been contributed by the AEI Hannover Atlas Cluster, the LIGO Laboratory, Syracuse University, the ARCCA cluster at Cardiff University, the University of Wisconsin-Milwaukee, and the Open Science Grid. Several universities designed, built, and tested key components and techniques for Advanced LIGO: The Australian National University, the University of Adelaide, the University of Western Australia, the University of Florida, Stanford University, Columbia University in the City of New York, and Louisiana State University. The GEO team includes scientists at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, along with partners at the University of Glasgow, Cardiff University, the University of Birmingham, other universities in the United Kingdom and Germany, and the University of the Balearic Islands in Spain.

Dutch contributions

Nikhef makes important contributions to both instrumentation and data analysis within the LIGO-Virgo collaboration. In particular Nikhef is working on the software for the detection and modelling of gravitational waves originating from merging black holes and neutron stars, but also for the search for continuous gravitational waves from, for example, rapidly rotating neutron stars in binary systems.

For the Advanced Virgo detector, which will be commissioned this year as an extension of the LVC network, Nikhef is responsible for seismic isolation and for optical sensors that have to guarantee the stable functioning of the instrument. Nikhef is also playing an important role within the Einstein Telescope project, a future observatory for gravitational waves.

The astronomers from Radboud University are focusing on the astrophysical interpretation and the combination of gravitational wave information with data from traditional telescopes. For this they are developing, amongst other things, the BlackGEM telescope within the Netherlands Research School for Astronomy.

About Nikhef

The National institute for subatomic physics (Nikhef) performs research in the area of particle and astro-particle physics. Nikhef is a partnership between the Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM) and five universities: Radboud University, University of Amsterdam, University of Groningen, Utrecht University and VU University Amsterdam. FOM is part of the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO). www.nikhef.nl

Radboud University is also an independent member of Virgo.

More information

Images, videos, animations, and further background information can be found at http://www.nikhef.nl/media

For more information, please contact

Science Communications Department Nikhef
Dr. Vanessa Mexner
email – phone 020 592 5075 / 020 592 2075

Prof. Jo van den Brand
Programme leader gravitational physics group Nikhef and professor of subatomic physics VU University Amsterdam
email – phone 020 592 2015 / 06 20539484

Prof. Stan Bentvelsen
Director Nikhef
email – phone 020 5925001 / 06 51111284

Dr. Chris Van Den Broeck
Senior researcher gravitational physics group Nikhef
email – phone 020 592 2053

Prof. Gijs Nelemans
Professor of astronomy, Radboud University & KU Leuven, and affiliated to Nikhef
email – phone 024 365 2983 / 06 45120189

Modelling gravitational wave complexity. Credit: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB
Modelling gravitational wave complexity. Credit: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB