LIGO and Virgo Detect Neutron Star Smash-Ups

02-05-2019

Voor Nederlands Nikhef-persbericht zie hieronder.

LIGO and Virgo Detect Neutron Star Smash-Ups

On April 25, 2019, the National Science Foundation’s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) and the European-based Virgo detector registered gravitational waves from what appears likely to be a crash between two neutron stars—the dense remnants of massive stars that previously exploded. One day later, on April 26, the LIGO-Virgo network spotted another candidate source with a potentially interesting twist: it may in fact have resulted from the collision of a neutron star and a black hole, an event never before witnessed.

“The universe is keeping us on our toes,” says Patrick Brady, spokesperson for the LIGO Scientific Collaboration and a professor of physics at the University of Wisconsin-Milwaukee. “We’re especially curious about the April 26 candidate. Unfortunately, the signal is rather weak. It’s like listening to somebody whisper a word in a busy café; it can be difficult to make out the word or even to be sure that the person whispered at all. It will take some time to reach a conclusion about this candidate.”

“NSF’s LIGO, in collaboration with Virgo, has opened up the universe to future generations of scientists,” says NSF Director France Cordova. “Once again, we have witnessed the remarkable phenomenon of a neutron star merger, followed up closely by another possible merger of collapsed stars. With these new discoveries, we see the LIGO-Virgo collaborations realizing their potential of regularly producing discoveries that were once impossible. The data from these discoveries, and others sure to follow, will help the scientific community revolutionize our understanding of the invisible universe.”

The discoveries come just weeks after LIGO and Virgo turned back on. The twin detectors of LIGO—one in Washington and one in Louisiana—along with Virgo, located at the European Gravitational Observatory (EGO) in Italy, resumed operations on April 1, after undergoing a series of upgrades to increase their sensitivities to gravitational waves—ripples in space and time. Each detector now surveys larger volumes of the universe than before, searching for extreme events such as smash-ups between black holes and neutron stars.

“Joining human forces and instruments across the LIGO and Virgo collaborations has been once again the recipe of an incomparable scientific month, and the current observing run will comprise 11 more months,” says Giovanni Prodi, the Virgo Data Analysis Coordinator, at the University of Trento and the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy. “The Virgo detector works with the highest stability, covering the sky 90 percent of the time with useful data. This is helping in pointing to the sources, both when the network is in full operation and at times when only one of the LIGO detectors is operating. We have a lot of groundbreaking research work ahead.”

In addition to the two new candidates involving neutron stars, the LIGO-Virgo network has, in this latest run, spotted three likely black hole mergers. In total, since making history with the first-ever direct detection of gravitational waves in 2015, the network has spotted evidence for two neutron star mergers; 13 black hole mergers; and one possible black hole-neutron star merger.

When two black holes collide, they warp the fabric of space and time, producing gravitational waves. When two neutron stars collide, they not only send out gravitational waves but also light. That means telescopes sensitive to light waves across the electromagnetic spectrum can witness these fiery impacts together with LIGO and Virgo. One such event occurred in August 2017: LIGO and Virgo initially spotted a neutron star merger in gravitational waves and then, in the days and months that followed, about 70 telescopes on the ground and in space witnessed the explosive aftermath in light waves, including everything from gamma rays to optical light to radio waves.

In the case of the two recent neutron star candidates, telescopes around the world once again raced to track the sources and pick up the light expected to arise from these mergers. Hundreds of astronomers eagerly pointed telescopes at patches of sky suspected to house the signal sources. However, at this time, neither of the sources has been pinpointed.

“The search for explosive counterparts of the gravitational-wave signal is challenging due to the amount of sky that must be covered and the rapid changes in brightness that are expected,” says Brady. “The rate of neutron star merger candidates being found with LIGO and Virgo will give more opportunities to search for the explosions over the next year.”

The April 25 neutron star smash-up, dubbed S190425z, is estimated to have occurred about 500 million light-years away from Earth. Only one of the twin LIGO facilities picked up its signal along with Virgo (LIGO Livingston witnessed the event but LIGO Hanford was offline.) Because only two of the three detectors registered the signal, estimates of the location in the sky from which it originated were not precise, leaving astronomers to survey nearly one-quarter of the sky for the source.

The possible April 26 neutron star-black hole collision (referred to as S190426c) is estimated to have taken place roughly 1.2 billion light-years away. It was seen by all three LIGO-Virgo facilities, which helped better narrow its location to regions covering about 1,100 square degrees, or about 3 percent of the total sky.

“The latest LIGO-Virgo observing run is proving to be the most exciting one so far,” says David H. Reitze of Caltech, Executive Director of LIGO. “We’re already seeing hints of the first observation of a black hole swallowing a neutron star. If it holds up, this would be a trifecta for LIGO and Virgo—in three years, we’ll have observed every type of black hole and neutron star collision. But we’ve learned that claims of detections require a tremendous amount of painstaking work—checking and rechecking—so we’ll have to see where the data takes us.”

LIGO is funded by NSF and operated by Caltech and MIT, which conceived of LIGO and led the Initial and Advanced LIGO projects. Financial support for the Advanced LIGO project was led by the NSF with Germany (Max Planck Society), the U.K. (Science and Technology Facilities Council) and Australia (Australian Research Council-OzGrav) making significant commitments and contributions to the project. Approximately 1,300 scientists from around the world participate in the effort through the LIGO Scientific Collaboration, which includes the GEO Collaboration. A list of additional partners is available at https://my.ligo.org/census.php.

The Virgo Collaboration is currently composed of approximately 350 scientists, engineers, and technicians from about 70 institutes from Belgium, France, Germany, Hungary, Italy, the Netherlands, Poland, and Spain. The European Gravitational Observatory (EGO) hosts the Virgo detector near Pisa in Italy, and is funded by Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in France, the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italy, and Nikhef in the Netherlands. A list of the Virgo Collaboration members can be found at http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/. More information is available on the Virgo website at http://www.virgo-gw.eu.

 

Nikhef-persbericht: Spectaculaire eerste maand voor LIGO-Virgo zwaartekrachtsgolfdetectoren

De eerste maand van zwaartekrachtsgolfmetingen met de drie detectoren van LIGO-Virgo heeft al tot een rijke oogst aan spectaculaire waarnemingen geleid, en tot veel werk om die nauwkeurig te analyseren. Vooral gebeurtenissen waarbij neutronensterren betrokken zijn, trekken de aandacht.

Observatieperiode O3 begon op 1 april en duurt volgens de planning een jaar. Verbeteringen aan de gevoeligheid van de drie detectoren en het feit dat ze gelijktijdig kunnen waarnemen, werpen inmiddels wetenschappelijke vruchten af.

Bovendien verstrekt de LIGO-Virgo-samenwerking voor het eerst publieke signaleringen van waarnemingen. Deze worden afgegeven kort na observatie van een geloofwaardige kandidaat van een zwaartekrachtsgolf. Deze aanpak maakt vervolgwaarnemingen met andere telescopen gemakkelijker en biedt grotere mogelijkheden voor multimessenger-observaties. Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef is voor Nederland intensief betrokken bij het LIGO-Virgo-meetprogramma.

‘Ik had geen beter moment kunnen verzinnen om op shift te zijn’, zegt Olivier Minazzoli van het Centre Scientifique de Monaco en het ARTEMIS-laboratorium in Nice. Hij werkte afgelopen week aan de karakterisering van de bijzondere signalen uit de Virgo-detector in Pisa. ‘Ik verwachtte wel kandidaten van versmeltende zwarte gaten, maar niet direct van nog meer dubbelneutronensterren. Laat staan dat we een potentiële kandidaat zouden vinden voor de eerste botsing ooit van een neutronenster met een zwart gat!’

Simulatie van een neutronensterversmelting. De sterren spiraliseren naar elkaar toe en versmelten. Rond het zwaardere restant ontstaat een schijf van restmateriaal. Het hele proces neem slechts 0,03 seconde in beslag. In de meeste gevallen stort het restant verder in tot een zwart gat.

Wanneer twee zwarte gaten versmelten vervormen ze de ruimtetijd in de omgeving, waardoor zwaartekrachtsgolven ontstaan. Als twee neutronensterren botsen zenden ze niet alleen zwaartekrachtsgolven uit, maar ook licht. Dat betekent dat telescopen zulke botsingen tegelijk zouden kunnen waarnemen met LIGO en Virgo, die ruimtetijdbevingen registreren die de aarde bereiken.

Sinds 1 april zijn bij LIGO-Virgo vijf publieke alerts uitgegaan. Deze kunnen via de Gravitational Wave Candidate Event Database worden bekeken. Drie van de gebeurtenissen zijn kandidaten voor de versmelting van zwarte gaten. De analyse van deze waarnemingen is in volle gang. Als het inderdaad zwartegatenbotsingen zijn, kunnen die worden toegevoegd aan de 10 botsingen die in eerdere meetperiodes van LIGO-Virgo werden waargenomen. Ze zouden ons begrip vergroten van de vorming van zulke extreem compacte objecten en de principes van de zwaartekracht, ruimte en tijd.

Twee andere gebeurtenissen vragen om nader onderzoek door de LIGO-Virgoteams en andere wetenschappers. De twee signalen lijken afkomstig van botsingen van stelsels met minstens een neutronenster, de dichtste vorm van materie in het universum waarvoor wetenschappelijk bewijs bestaat. Een theelepel materiaal van een neutronenster kan een miljard ton wegen.

Op 25 april werd rond 8.18 uur een vermoedelijke versmelting van neutronendubbelsterren waargenomen (S190425 genoemd, meer informatie hier) op een afstand van 500 miljoen lichtjaar. Dat zou de opvolger zijn van GW170817, de eerste neutronensterversmelting ooit die twee jaar geleden werd gesignaleerd en die de geboorte inluidde van multi-messengerastronomie met zwaartekrachtsgolven. De speurtocht naar eventuele bronnen in zichtbaar licht of andere straling, is momenteel gaande door tientallen teams van astronomen. In dit geval is dat een grote uitdaging omdat de bron viermaal verder weg is dan die van GW170817. Ook is de richtingbepaling aan de hemel onzekerder doordat tijdens de detectie maar twee van de drie detectoren in bedrijf waren: LIGO-Livingston en Virgo.

Hemelkaart van de mogelijke bron van kandidaat zwaartekrachtsgolf S190425z van 25 april. Het zoekgebied voor astronomen beslaat maar liefst een kwart van de hele hemel, omdat slechts twee van de drie LIGO-Virgo detectoren actief waren.

De andere bijzondere kandidaat is een signaal dat met een neutronenster samenhangt (S190426c genaamd, meer informatie hier) dat werd gemeten op 26 april rond 15.22 uur op een vermoedelijke afstand van 1,2 miljard lichtjaar. S190426c is wetenschappelijk uitzonderlijk interessant, omdat de vorm ervan wijst in de richting van een neutronenster die botst met een zwaarder zwart gat. Alle drie de detectoren waren in bedrijf, maar het signaal was zwakker waardoor er wel nog een kans bestaat dat het geen echt astrofysisch signaal betreft. Als de waarneming wordt bevestigd, is dat een ongekende ontdekking. De analyse van S190426c vraagt nog meer tijd van teams betrokken bij LIGO-Virgo en daarbuiten.

‘Dit is heel opwindend’, zegt Tanja Hinderer, een astrofysisch post-doc aan het Anton Pannekoek Instituut en de Universiteit van Amsterdam. ‘We kunnen multimessengersignalen gebruiken om meer te leren over de materie onder de meest extreme omstandigheden die we kennen. Aan de zwaartekrachtsgolven zijn de eigenschappen van de versmeltende objecten goed af te lezen, terwijl licht en neutrino’s het overblijfsel tonen. Informatie uit beide bronnen is de sleutel tot een beter begrip van dit soort extreme verschijnselen.’

‘Het gebruik van drie verschillende detectoren is technisch een enorme uitdaging’, zegt Florian Aubin, promovendus aan de Université Savoie Mont Blanc in Frankrijk. ‘Maar het biedt ongekende kansen bij het aanwijzen van de bronnen aan de hemel en het vinden van zichtbare tegenhangers. Twee neutronensterbotsingen en drie versmeltingen van zwarte gaten in een maand tijd belooft een interessant jaar. Het is geweldig hierbij te zijn, na twee jaar intensieve voorbereidingen.’

Voor aanvang van O3 werden de drie interferometers in Livingston en Hanford in de VS en in Cascina bij Pisa onderworpen aan intensieve verbeteringen. Advanced Virgo verdubbelde zijn gevoeligheid vergeleken met de voorgaande meetperiode O2, die in 2017 werd afgerond. Advanced Virgo kan nu gemiddeld de versmelting waarnemen van botsende neutronensterren tot een afstand van 160 miljoen lichtjaar van de aarde en van zwarte gaten tot circa 2 miljard lichtjaar (bij massa’s van 30 zonsmassa’s).

The Virgo detector near Pisa, Italy

‘Er is sinds september 2017 18 maanden heel hard gewerkt om de gevoeligheid te vergroten en het systeem beter te beschermen tegen verstoringen van buiten’, zegt Irene Fiori, fysicus bij het European Gravitational Observatory (EGO) en belast met de studies van externe verstoringen van de detector. ‘Er is intensief samengewerkt met deskundigen op veel terreinen, van laserbundels tot optische uitlijning, seismische isolatie, compensatie voor thermische effecten en samengeperst licht.’

Virgo is momenteel de detector met de meeste waarneemtijd binnen LIGO-Virgo: ongeveer 90 procent van de tijd is hij in bedrijf, waarbij alleen onderhoud en soms een externe verstoring nog beperkingen geven. Het onderhoud wordt uitgevoerd in overleg met LIGO om de waarnemingen in het netwerk te optimaliseren. Deze grote beschikbaarheid toont de nauwkeurigheid waarmee de detector wordt bediend en de stabiliteit van de instrumenten.

Fiori: ‘In de controlekamer van Virgo is het hard werken, zijn er wetenschappelijke discussie en delen we gevoelens. Uit het humeur van de mensen kun je goed aflezen of Virgo goed functioneert of niet. Er was grote vreugde toen de O3-run tegelijk met LIGO begon, met een dubbele gevoeligheid vergeleken met 2017. Het is gelukt, zeiden we tegen elkaar. Elk signaal dat nu wordt gemeten bevestigt dat gevoel opnieuw. Het is gelukt.’

In het vervolg van de O3-observatieperiode van Advanced Virgo en LIGO worden nog veel meer waarnemingen verwacht, van versmeltende dubbelsystemen met zwarte gaten of neutronensterren tot zwaartekrachtsgolven van andere astrofysische objecten. Live-analyses en analyses achteraf met grote hoeveelheden gegevens zullen meer zicht dan ooit bieden op verwachte en onverwachte bronnen van zwaartekrachtsgolven in het universum.

(Dit is een origineel nieuwsbericht van de Virgo-collaboratie)