Voor de derde keer zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten gedetecteerd

01 - 06 - 2017


– English follows Dutch –

Nikhef-persbericht

VOOR DE DERDE KEER ZWAARTEKRACHTSGOLVEN VAN SAMENSMELTENDE ZWARTE GATEN GEDETECTEERD

Resultaten bevestigen het bestaan van een nieuwe populatie zwarte gaten

Er zijn voor de derde keer zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, gedetecteerd. Net zoals het geval was bij de eerste twee waarnemingen, ontstonden de golven toen twee zwarte gaten samensmolten tot een zwaarder zwart gat. Het nieuwe zwarte gat, op een afstand van ongeveer 3 miljard lichtjaar (twee keer zo ver als de twee eerder ontdekte systemen), heeft een massa die circa 49 keer zo groot is als die van onze zon. Dit is een waarde die ligt tussen die van de twee eerdere, in 2015 waargenomen zwarte gaten (62 en 21 keer de massa van de zon voor respectievelijk de eerste en tweede waarneming). Deze ontdekking staat beschreven in een nieuw artikel dat geaccepteerd is voor publicatie in Physical Review Letters.

De gebeurtenis vond plaats op 4 januari 2017, tijdens de huidige meetperiode  van de twee LIGO-detectoren in Hanford (Washington) en Livingston (Louisiana) in de Verenigde Staten. De huidige meetperiode begon op 30 november 2016 en zal nog de hele zomer voortduren. Binnenkort zal ook de Virgo-detector in Europa zich aansluiten. Daardoor zal  het gehele detectornetwerk de positie van de bronnen van zwaartekrachtsgolven met grotere nauwkeurigheid kunnen bepalen.

“Met deze derde detectie bevestigen we het bestaan van een onverwachte populatie van stellaire zwarte gaten met massa’s die groter zijn dan 20 keer de massa van de zon”, zegt Jo van den Brand van Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam. Van den Brand is onlangs verkozen tot woordvoerder van de Virgo Collaboration, waaraan meer dan 280 internationale wetenschappers zijn verbonden die samen met de LIGO Collaboration onderzoek doen naar zwaartekrachtsgolven. “Alle wetenschappers van LIGO en Virgo hebben samengewerkt om deze verbazingwekkende detecties te realiseren van zulke vreemde en extreme gebeurtenissen die miljarden jaren geleden plaatsvonden.”

De derde detectie, die GW170104 wordt genoemd, is zorgvuldig geanalyseerd door de LIGO Scientific Collaboration (LSC) en de Europese Virgo Collaboration. Dit is een groep van meer dan 1200 onderzoekers die verbonden zijn aan meer dan 100 wetenschappelijke instituten op vier verschillende continenten. Deze wereldwijde samenwerking leidde tijdens de eerste meetperiode van de LIGO-detectoren tot de allereerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven in september 2015. Daarna volgde een tweede detectie in december 2015. In alle drie gevallen werden de gedetecteerde zwaartekrachtsgolven opgewekt door extreem energetische botsingen van twee zwarte gaten – gebeurtenissen die meer energie produceren tijdens het moment vlak vóór de samensmelting van de zwarte gaten dan dat er op een willekeurig tijdstip als licht wordt uitgezonden door alle sterren en sterrenstelsels in het heelal.

Nederlandse wetenschap nauw betrokken

Ook bij deze derde detectie van zwaartekrachtsgolven zijn Nederlandse wetenschappers weer sterk betrokken. 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.

Stan Bentvelsen, directeur van Nikhef, is enthousiast: “Met deze derde detectie kun je met recht zeggen dat onderzoek naar zwaartekrachtsgolven resultaten oplevert. Ook deze detectie is spectaculair waar we veel van leren. In de komende jaren is de uitdaging om de gevoeligheid van de apparatuur verder te laten toenemen zodat we deze processen vaker kunnen zien en langer kunnen volgen.”

Aanknopingspunten over draairichting

Wanneer zwarte gaten om elkaar heen draaien, kunnen ze behalve om elkaar ook om hun eigen as draaien, net als bijvoorbeeld de Aarde en de Maan. De snelheid waarmee ze draaien en de hoek die hun draaiassen eventueel maken met het baanvlak hebben invloed op het uitgezonden signaal en kunnen dus in principe uit de meting worden bepaald. Dat is wel heel moeilijk en tot nu toe was alleen duidelijk dat de zwarte gaten ofwel langzaam draaien ofwel sterk gekanteld waren. De nieuwe meting geeft aanwijzingen dat bij tenminste één zwart gat de draai-as gekanteld is. “Dit is belangrijke informatie over de vorming van deze dubbele zwarte gaten” zegt Samaya Nissanke, astronome aan de Radboud Universiteit. “Als ze ontstaan uit een dubbelster moeten de sterren, die hoogstwaarschijnlijk niet gekanteld waren, bij het in elkaar storten tot zwart gat sterk kantelen. Als de zwarte gaten los zijn ontstaan en door dynamische interacties een dubbelsysteem gevormd hebben is iedere hoek tussen draai-as en baanvlak mogelijk.”

Einsteins algemene relativiteitstheorie opnieuw getest

“We hebben de theorieën van Albert Einstein opnieuw op de proef gesteld door naar een effect te kijken dat dispersie wordt genoemd”, zegt Chris Van Den Broeck van Nikhef. Dit effect treedt op wanneer lichtgolven zich, afhankelijk van hun golflengte, op verschillende snelheden bewegen in een fysiek medium zoals glas; het is vergelijkbaar met de manier waarop een prisma een regenboog maakt. “Einsteins algemene relativiteitstheorie stelt dat er geen dispersie in zwaartekrachtsgolven kan plaatsvinden terwijl ze zich voortbewegen van hun bron naar de aarde. Het lijkt erop dat Einstein gelijk had – ook nu weer als we kijken naar deze nieuwe gebeurtenis, die twee keer zo ver weg plaatsvond als onze eerste detectie. We kunnen geen afwijking ontdekken van de voorspellingen uit zijn relativiteitstheorie.”

Advanced Virgo

Virgo heeft een groot upgradeprogramma uitgevoerd, Advanced Virgo. Een eerste technische run met alle systemen operationeel is in de eerste week van mei succesvol afgerond. De gevoeligheid verbetert snel en Virgo zal naar verwachting binnenkort aansluiten bij de LIGO-detectoren om te helpen bij onze zoektocht naar verder inzicht in de oorsprong en evolutie van ons heelal.

“Er is grote opwinding binnen het commissioning team en de wetenschappers van de hele Virgo collaboration”, zegt Alessandro Bertolini van Nikhef. “Enkele maanden geleden zijn de installaties voor Advanced Virgo voltooid, en nu wordt de detector in bedrijf genomen. We zien al dat de detector zeer robuust werkt. Op dit moment zijn we intensief bezig om de achtergrondruis te verminderen en we zien uit naar de aansluiting van Virgo bij de twee LIGO-detectoren tijdens de huidige meetperiode. Na het afronden hiervan zullen de drie detectoren de beoogde mid-term upgrades uitvoeren om hun gevoeligheid nog verder te verbeteren.”

Over LIGO en Virgo

LIGO wordt gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en wordt gerund door Caltech en MIT, die het project hebben ontworpen en gebouwd. Meer dan 1000 wetenschappers van over de hele wereld nemen eraan deel via de LIGO Scientific Collaboration (inclusief de GEO Collaboration). Andere partners staan vermeld op: http://ligo.org/partners.php.

Virgo-onderzoek wordt uitgevoerd door de Virgo Collaboration, bestaande uit meer dan 280 natuurkundigen en technici van 20 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. Onlangs heeft ook Spanje zich met een nieuwe groep in Valencia aangesloten bij de Virgo Collaboration.

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 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 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en vijf universiteiten: de Radboud Universiteit, de Rijksuniversiteit Groningen, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Vrije Universiteit Amsterdam.

www.nikhef.nl

De Radboud Universiteit is daarnaast zelfstandig lid van Virgo.

Meer informatie

Beeldmateriaal en achtergrondinformatie

Persbericht eerste detectie

Persbericht tweede detectie

Nikhef-mediapagina

Link naar Physical Review Letters 

Aanvullende informatie van Physical Review Letters

U kunt contact opnemen met:

Afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef
Vanessa Mexner
email – Tel 020 592 5075 / 020 592 2075

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

Prof. Dr. Stan Bentvelsen
Directeur Nikhef
email – Tel 020 592 5001 / 06 5111 1284

Dr. Chris Van Den Broeck
Senior-onderzoeker gravitatiefysica-groep van Nikhef
email – Tel 020 592 2053/ 06 2513 3968

Dr. Alessandro Bertolini
Senior-onderzoeker gravitatiefysica-groep van Nikhef
email – Tel 020 592 2095

Prof. Dr. Gijs Nelemans
Hoofd afdeling sterrenkunde, Radboud Universiteit en KU Leuven en verbonden aan Nikhef
email – Tel 024 365 2983 / 06 4512 0189

Dr. Samaya Nissanke
Assistant professor sterrenkunde, Radboud Universiteit, en leider Radboud Virgo-groep
email – Tel 06 5197 6736


Wilt u meer te weten komen over de voortgang van de Advanced Virgo detector? Bekijk dan deze film over de manier waarop we een gigantische interferometer als Advanced Virgo afstellen:

 


Nikhef press release

A THIRD DETECTION OF GRAVITATIONAL WAVES EMITTED BY ANOTHER BINARY BLACK HOLE SYSTEM

Results confirm new population of black holes

A third detection of gravitational waves, ripples in space and time, has been made. As was the case with the first two detections, the waves were generated when two black holes merged to form a larger black hole. The new-found black hole, located about 3 billion light-years away (twice as far away than the two previously discovered systems), has a mass of about 49 times that of our Sun, an intermediate value between those previously detected in 2015 (62 and 21 solar masses for the first and second detection, respectively).

The discovery is described in a new article accepted for publication in the journal Physical Review Letters. The event occurred on January 4th, 2017, during the current observing run of the twin LIGO detectors in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana, which began November 30, 2016, and will continue through the summer, when the Virgo detector in Europe will join to improve the pointing capability of the entire detector network.

“With this third detection we confirm the existence of an unexpected population of stellar-mass black holes that are larger than 20 solar masses,” says Jo van den Brand of Nikhef and VU University Amsterdam, the newly elected spokesperson for the Virgo Collaboration, a body of more than 280 international scientists who perform gravitational waves research together with the LIGO Collaboration. “The entire LIGO and Virgo scientific collaborations worked together to make these amazing detections of such extreme events that took place billions of years ago.”

The third detection, called GW170104, was carefully analysed by the LIGO Scientific Collaboration (LSC) and the European-based Virgo collaboration. This is a group of more than 1200 researchers from more than 100 scientific institutions, spread over four different continents. Previously, this worldwide effort successfully led to the first-ever direct observation of gravitational waves in September 2015 during the first observing run of the LIGO detectors. Then, a second detection was made in December 2015. In all three cases, the detected gravitational waves were generated by extremely energetic collisions of black hole pairs – events that produce more power during the instant before the black holes merge, than is radiated as light by all the stars and galaxies in the observable Universe at any given time.

Dutch scientists closely involved

Just like with the first two detections of gravitational waves, Dutch scientists were closely involved in this third 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.

Stan Bentvelsen, director of Nikhef, is excited: “With this third detection we can rightfully say that gravitational waves research is yielding results. This detection is spectacular and we can learn a lot from it. In the coming years it will be a challenge to further increase the sensitivity of the equipment in order to see these processes more often and for us to be able to follow them for longer.

Clues about rotation

As pairs of black holes spiral around each other, they can also rotate around their own axes, the way the Earth and the Moon do, for example. The speed at which they rotate and the angle that their axes possibly make with the orbital plane affect the signal and can thus in principle be determined from the measurement. This is, however, very difficult and so far it was only clear that the black holes were either slowly turning or strongly tilted. The new measurement indicates that at least one black hole is tilted away from the orbital plane. “This is important information about the formation of this binary black hole system”, says Samaya Nissanke, astronomer at Radboud University. “If they originate from a double star, the stars, which are unlikely to be tilted, should tip strongly when collapsing into a black hole. If the black holes are formed separately and, through dynamic interactions, a double system has been formed, every angle between the axis of rotation and the orbital plane is possible. ”

Einstein’s general theory of relativity put to the test again

“We have again put Albert Einstein’s theories to the test by looking for an effect called dispersion”, says Chris Van Den Broeck of Nikhef. This occurs when light waves in a physical medium such as glass travel at different speeds depending on their wavelength; this is how a prism creates a rainbow. “Einstein’s general theory of relativity forbids dispersion from happening in gravitational waves as they propagate from their source to Earth. It looks like Einstein was right—even for this new event, which is two times farther away than our first detection. We can see no deviation from the predictions of general relativity.”

Advanced Virgo

Virgo has undergone a major upgrade programme called Advanced Virgo. A first engineering run with all systems operational was completed successfully in the first week of May. The sensitivity is improving rapidly and Virgo is expected to soon join the LIGO detectors in our quest to obtain a deeper understanding of the origin and evolution of our Universe.

“There is great excitement among the commissioning team and the scientists from the whole Virgo collaboration”, says Alessandro Bertolini of Nikhef. “Some month ago the installations for Advanced Virgo were completed, and now the detector is being commissioned. We can already conclude that the detector is capable of a very robust operation. At the moment, we are focusing a lot of our efforts on reducing background noise.

We are very much looking forward to Virgo soon joining the LIGO detectors for the current observing run. After that run is completed, all three detectors will undergo the foreseen mid-term upgrade to further boost their sensitivity.”

About LIGO and Virgo

LIGO is funded by the NSF, and operated by Caltech and MIT, which conceived and built the project. More than 1,000 scientists from around the world participate in the effort through the LIGO Scientific Collaboration, which includes the GEO Collaboration. Additional partners are listed at:
http://ligo.org/partners.php.

VIRGO research is carried out by the Virgo Collaboration, consisting of more than 280 physicists and engineers belonging to 20 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. Recently, also Spain joined the Virgo collaboration, with a new group in Valencia.

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 Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO) and five universities: Radboud University, University of Amsterdam, University of Groningen, Utrecht University and VU University Amsterdam.

www.nikhef.nl

Radboud University is also an independent member of Virgo.

More information:

Images, videos, animations, and further background information

Press release first detection

Press release second detection

Nikhef media page

Physical Review Letters: article and supplementary material

 

For more information, please contact

Science Communications Department Nikhef
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
Directeur Nikhef
email – phone 020 5925001 / 06 51111284

Dr. Chris Van Den Broeck
Senior researcher gravitational physics group Nikhef
email – phone 020 592 2053 / 06 2513 3968

Dr. Alessandro Bertolini
Senior researcher gravitational physics group Nikhef
email– phone 020 592 2095

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

Dr. Samaya Nissanke
Assistant professor astronomy, Radboud Universiteit, en leader Radboud Virgo group
email – phone 06-51976736