Credit: via YouTube
De natuurkundige en auteur Brian Greene was gisteren te gast in de Late Night Show van Stephen Colbert om daar uit te leggen hoe het zit met de zwaartekrachtsgolven, die onlangs door de Advanced LIGO zijn ontdekt. Green kan ingewikkelde zaken briljant uitleggen, maar de reactie van Colbert op het horen van het Chirp geluid van GW150914 is net zo briljant. kijken!
Bron: Gizmodo.
Credit: David Champion
De ontdekking van zwaartekrachtsgolven – zowel op indirecte wijze door Taylor en Hulse in 1974 als op directe wijze door Advanced LIGO in 2015 – heeft een ware hausse aan aandacht voor dit fenomeen veroorzaakt. Stephen Hawking spreekt al van een nieuw venster op het heelal, dat we met behulp van de zwaartekrachtsgolf-sterrenkunde krijgen. Eén van de manieren waarop we zwaartekrachtsgolven kunnen detecteren is die van het ‘Pulsar Web’ genaamd North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Dat netwerk van aan elkaar verbonden radiotelescopen is al in 2007 van start gegaan en doel is om met behulp van het waarnemen van milleseconde-pulsars passerende zwaartekrachtsgolven te detecteren. Het gaat daarbij om zwaartekrachtsgolven met lage frequentie, die afkomstig zijn van om elkaar draaiende superzware zwarte gaten, zwarte gaten die miljoenen of miljarden keren zo zwaar zijn als de twee stellaire zwarte gaten, die Advanced LIGO met GW150914 zag. Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van sterrenstelsels en die stelsels kunnen door gravitationele interactie botsen en samengaan, hetgeen dan ook hun centrale zwarte gaten overkomt.
Impressie van een pulsar. Credit: NASA.
De pulsars die NANOGrav waarneemt zijn neutronensterren, compacte extreem dichte objecten van ongeveer een zonsmassa, die in een bol met een diameter van zo’n 20 km gepropt zitten en die bundels radiostraling uitzenden (zie afbeelding hierboven). Als zo’n bundel naar de aarde gericht is zien we de neutronenster als pulsar. Milliseconde-pulsars zijn een bijzondere klasse van pulsars, die per seconde honderden keren om hun as kunnen draaien. Sterrenkundigen gebruiken die pulsars als zeer nauwkeurige klok, de aankomsttijd van de afzonderlijke pulsen kan met een nauwkeurigheid van tien miljoenste van een seconde worden gemeten.
#LIGO's detection is in just one frequency of a new gravitational wave spectrum https://t.co/A7Np49uCFa pic.twitter.com/foCctVTSOS
— Astronomy Magazine (@AstronomyMag) February 11, 2016
Met NANOGrav worden momenteel 54 pulsars in de gaten gehouden. Mocht een zwaartekrachtsgolf passeren dan oscilleert de ruimtetijd een klein beetje en dat zal effect hebben op de aankomsttijden van de pulsen van de pulsars. Bij GW150914 duurde die passage slechts 0,2 seconden en liep de frequentie op van 35 naar 250 Hz, maar in het geval van superzware zwarte gaten die om elkaar draaien en nog niet samengesmolten zijn kan die passage maanden of jaren duren en daar zou het NANOGrav netwerk meer geschikt voor zijn, dan Advanced LIGO en de toekomstige eLISA satellieten. Probleem tot nu toe: NANOGrav is een netwerk dat voornamelijk in de VS werkt – de naam zegt ’t ook al – en dat slechts een deel van de hemel bestrijkt. Daarom wil men het netwerk uit gaan breiden naar Europa en Australië om het bereik te vergroten en daarmee de kans te vergroten om zwaartekrachtsgolven met lage frequentie te detecteren. Hieronder tenslotte nog een video over NANOGrav.
Bron: NASA/JPL.
Impressie van de twee zwarte gaten die samensmelten en daarmee GW150914 vormen. Credit: : SXS/CC BY-NC 3.0.
Sinds een week geleden hebben we niet alleen het indirecte bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtsgolven – het in 1974 door Taylor en Hulse waargenomen baanverval van de binaire pulsar PSR B1913+16 – maar ook het directe bewijs voor het bestaan er van in de vorm van de waarneming met Advanced LIGO op 14 september 2015 van de zwaartekrachtsgolf GW150914. In alle berichten kunnen we lezen hoe mooi het wel niet is dat dit bewijs in 2016 wordt bekendgemaakt, exact honderd jaar nadat Albert Einstein het bestaan ervan in dit artikel voorspelde. Ik heb er net zo hard aan meegedaan, dat geef ik direct toe. Minder bekend is echter dat Einstein twintig jaar later samen met Nathan Rosen een artikel publiceerde, genaamd ‘Do gravitational waves exist?’, waarin hij het bestaan ervan ontkende! In de zomer van 1936 stuurde hij dat artikel naar het gezaghebbende vakblad Physical Review. De hoofdredacteur daarvan was John Torrance Tate (1889-1950) en die stuurde het artikel voor peer review op naar een collega natuurkundige, vermoed wordt de Amerikaanse kosmoloog Howard Percy Robertson. Die keurde het artikel van Einstein en Rosen af en Tate liet het tweetal vervolgens weten dat hij het niet zou publiceren. Einstein was daar woedend over en dat liet hij Tate tamelijk gemaskeerd weten middels een kort briefje – links hieronder het Duitse origineel, rechts de Engelse vertaling (Lubos Motl in de bron heeft de versie zoals Einstein ‘m eigenlijk bedoelde).
Einstein wilde nooit meer een artikel naar the Physical Review sturen en daar heeft ‘ie zich ook keurig aan gehouden. Het artikel van hem en Rosen werd vervolgens geplaatst in het totaal onbekende ‘Journal of the Franklin Institute‘, welk blad het in 1937 publiceerde. Waarom Einstein twintig jaar na z’n oorspronkelijke voorstel van mening was veranderd is weer een heel apart verhaal, daar zal ik later nog wel op terugkomen. Maar hier constateer ik dat Einstein wel vaker van dat soort dwalingen had. In 1917 kwam hij met het idee van de Kosmologische Constante, waarmee hij een factor in z’n zwaartekrachtsvergelijking introduceerde om een stabiel heelal te krijgen. Later verwierp hij dat idee, toen bleek dat het heelal expandeert, en noemde hij het z’n grootste blunder. Maar wat bleek in 1998: het heelal expandeert steeds sneller en de oorzaak daarvan is… de Kosmologische Constante in de vorm van de donkere energie. En nu dan weer de zwaartekrachtsgolven, die ondanks z’n verzet in 1936, wel degelijk blijken te bestaan. Briljant, maar wispelturig mannetje, die Einstein. 😀 Bron: The Reference Frame.
Het nieuws van zwaartekrachtsgolf GW150914, welke rimpel van ruimte en tijd na een tocht van 1,3 miljard op 14 september 2015 de aarde passeerde en de meters bij de twee detectoren van de Advanced LIGO tweehonderdste van de diameter van een proton deed uitslaan, is bekend – mag ik veronderstellen. Maar in alle geruchten voorafgaand aan de persconferenties van die historische 11e februari jongstleden werd ook
Credit: LIGO
We zijn nog maar net bekomen van het nieuws van afgelopen donderdag dat men met de Advanced LIGO detector in de VS zwaartekrachtsgolven heeft ontdekt of er is aanvullend nieuws hierover: uit dit wetenschappelijke artikel blijkt dat de Amerikaanse Fermi ruimtesatelliet 0,4 seconden nadat LIGO op 14 september 2015 om 09:50:45 uur UTC de zwaartekrachtsgolven detecteerde een uitbarsting in gammastraling zag. Het gaat om een uitbarsting die één seconde duurde en die een energie van meer dan 50 KeV had. Per dag wordt ongeveer één gamma-uitbarsting gedetecteerd en Fermi doet dat door met z’n Gamma-ray Burst Monitor (GBM) continu 70% van de hemel in de gaten te houden. De kans dat de twee gebeurtenissen – de gamma-uitbarsting genaamd GW150914-GBM en de zwaartekrachtsgolf GW150914 – niet aan elkaar verbonden zijn en per toeval kort na elkaar plaatsvonden is uiterst klein. Ook valt het gebied waarin de gamma-uitbarsting plaatsvond (hierboven rechts te zien) en dat van de zwaartekrachtsgolf (links) goed samen. Het gebied aan de hemel waar GW150914 plaatsvond wordt door de combinatie met de Fermi gegevens gereduceerd van 601 tot 199 vierkante graad.
De door Fermi GBM waargenomen uitbarsting in gammastraling – de tijd is t.o.v. de zwaartekrachtsgolf GW150914 (credit: V. Connaughton et al)
Het lijkt er dus naar uit te zien dat de twee gebeurtenissen daarom dezelfde bron hebben en dat er bij de samensmelting van de twee zwarte gaten naast zwaartekrachtsgolven ook hoogenergetische fotonen in de vorm van gammastraling werden uitgezonden. Dat laatste is opmerkelijk, want volgens de gangbare modellen hebben stellaire zwarte gaten in tegenstelling tot hun superzware collega’s in de centra van sterrenstelsels géén omhullende accretieschijf. En zonder zo’n schijf is er geen gas in de buurt van het zwarte gat, dat verhit kan worden tot het gammastraling uitzendt. Kennelijk bevatten de twee botsende en samensmeltende zwarte gaten van GW150914 wél een accretieschijf en had die een uitbarsting. Modellen van stellaire zwarte gaten moeten dus opnieuw bekeken worden. Schattingen zijn dat de energie van de zwaartekrachtsgolf zo’n 10^48 watt was en van de gamma-uitbarsting 2 x 10^42 watt, dus pakweg één miljoenste deel van de energie van de zwaartekrachtsgolf ging zitten in de verhitting van het aanwezige gas en de daaropvolgende uitbarsting van gammastraling.
oorstelling van twee samensmeltende zwarte gaten met omringende accretieschijven (credit: NASA).
Eén van de interessante gevolgtrekkingen van deze waarneming door LIGO én Fermi is dat de zwaartekrachtsgolven en gammastralen een weg van 1,3 miljard lichtjaar hebben afgelegd en dat ze met een verschil van slechts 0,4 seconden bij de aarde aankwamen. Wie twijfelde of zwaartekrachtsgolven met de lichtsnelheid reizen is hiermee voorgoed genezen. Tweede gevolgtrekking: hier en daar wordt in kringen getwijfeld aan de waarneming van LIGO van zwaartekrachtsgolven en wordt geroepen dat het slechts seismische activiteit was, die de aarde bij de twee detectoren van LIGO gelijktijdig deed trillen. Ook deze mensen zijn (hopelijk) genezen van de twijfel. 😀 Tip voor dit nieuws kwam van Tristan du Pree, waarvoor dank! Bron: The Reference Frame + Koberlein op Forbes.
Credit: LIGO
Het is vandaag ‘the day after the day before‘, de dag na de bekendmaking van de ontdekking van zwaartekrachtsgolven met de LIGO detector in de VS. In ongeveer een ziljoen mediaberichten heb ik over de ontdekking gelezen en de helft daarvan lezende heb ik enkele interessante dingetjes gezien. Daarnaast heb ik gisteren met collega-blogger Paul Bakker flink gediscussieerd over de ontdekking en dat heeft ook de nodige vragen opgeroepen. Vandaar een rijtje met wat ‘nabranders’ over GW150914, zoals de waarneming aan het samengesmolten zwart gat wordt genoemd – Gravitational Wave 150914, de datum 14 september 2015 in Engelse notatie.
I am GW150914, the first gravitational wave detected on Earth by #LIGO on September 14, 2015. I was announced today! #gravitationalwaves
@GW150914 (@iamgw150914) 11 februari 2016
Impressie van botsende zwarte gaten. Credit: SXS/CC BY-NC 3.0.
Credit: LIGO
Credit: LIGO
Credit: LIGO
“During the second before these giants merged, the energy released in gravitational waves from the system was 10 times greater that the energy released by all the stars in the observable universe!” Astrobites.
Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Het is inmiddels wereldnieuws: LIGO heeft zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten ontdekt. CNN, Reuters, NOS-Journaal, De Wereld Draait Door, Astroblogs, BBC, allen meldden vanmiddag het nieuws over deze ontdekking, waarmee opnieuw Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie werd bevestigd. Astrobloggers Paul Bakker en ik waren aanwezig bij de persbijeenkomst in het NIKHEF Instituut op het Amsterdamse Science Park, waar men een live verbinding had met de twee persconferenties die 16.30 uur gelijktijdig werden gehouden, de ene in Washington, de ander in Cascina (Pisa, Italië). Paul en ik kwamen exact 16.30 uur binnen en de grote congreshal zat barstensvol met studenten, wetenschappers, collega-journalisten en ander volk – de voorste rij die speciaal voor de pers was die was onbereikbaar voor ons. Wij togen daarom naar een zaaltje er naast, waar ook een live verbinding was met Italië. Nou ja, het woord ‘verbinding’ is wat al te stellig, want er was om de haverklap sprake van een herhaling van de livestream, waardoor we even het idee hadden dat we een unieke ’timeloop’ meemaakten. Terug in de grote zaal sloten we achteraan om nog wat op te vangen van de presentaties aldaar en daar kregen we veel te horen over de ontdekking van GW150914, zoals de bron van de zwaartekrachtsgolven wordt genoemd.
Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
De Advanced LIGO detector bleek de signalen al op 14 september 2015 te hebben gedetecteerd, om 09:50:45 uur UTC, kort nadat de detector was begonnen aan run 01. Niemand had verwacht zo snel al iets uit het heelal op te vangen, zeker niet omdat de Advanced LIGO nog niet eens op volle sterkte is. Toch kwam met een verschil van 10 milliseconde een signaal binnen bij de twee enorme L-vormige detectoren in Livingston, Louisiana en Hanford, Washington in de VS – het verschil komt doordat de ene detector iets dichterbij de bron staat dan de ander. De oorzaak van het signaal bleek uit dit gebied aan de hemel te komen:
Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Een enorm groot gebied, bij elkaar zo’n 590 vierkante graad aan de hemel. Dat gebied is veel te groot om een bepaald sterrenstelsel als bron aan te wijzen. Als na de zomervakantie de Italiaanse VIRGO detector aan de Advanced LIGO detector wordt verbonden wordt de resolutie veel groter en kunnen bronnen veel nauwkeuriger worden gedetecteerd.
De lIGO detector in Hanford. Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
Wat veel beter kon worden vastgesteld dan de locatie was de aard van de bron van de zwaartekrachtsgolven. Dat bleken twee zwarte gaten te zijn die zeer snel rond elkaar draaiden en die op een gegeven moment botsten en samensmolten. Helemaal bovenaan zie je het signaal dat door de twee detectoren werd waargenomen, daaronder een combinatie van dit signaal met de theoretische voorspelling op basis van Einstein’s relativiteitstheorie – de match is perfect! Het gaat om de botsing van twee zeer zware zwarte gaten, de ene 36 zonsmassa’s en de ander 29 zonsmassa’s zwaar. Bij de botsing en daaropvolgende samensmelting zou in enkele minuten maar liefst drie zonsmassa aan zwaartekrachtsgolven zijn weggestraald, golven met een frequentie oplopend van 35 tot 250 Hz. De massa’s kloppen precies met hetgeen ik vorige week blogde, de frequentie is iets lager.
Credit: Caltech/MIT/LIGO Laboratory
De twee zwarte gaten draaiden met ongeveer de halve lichtsnelheid om elkaar heen en tot 0,2 seconden (!) voor de samensmelting kwam het signaal van de uitgezonden zwaartekrachtsgolven niet boven de ruis uit van de Advanced LIGO. Pas vanaf 0,2 seconden kwam het signaal boven die ruis uit en was het karakteristieke ‘chirp signaal’ te zien, een signaal dat door de computers van LIGO al drie minuten na 09:50:45 uur UTC op die historische 14e september 2015 werd opgemerkt. Toen was dus al bemerkt dat men iets opmerkelijks had gezien. Hieronder een video, waarin we het chirp signaal zien én horen.
In alle roddels afgelopen maand over de ontdekking is sprake van DRIE gebeurtenissen. Het grote nieuws over vandaag gaat over slechts één gebeurtenis, die golf die de aarde op 14 september 2015 passeerde. Zaten we er dan naast men onze voorspelling? Nee geenszins! We spraken vanmiddag een medewerker van het NIKHEF en die vertelde ons dat de gebeurtenis van die 14e september 2015 zat in de eerste ruwe dataset van 16 dagen van Advanced LIGO. Díe dataset is nu compleet geanalyseerd en dat heeft deze ene vondst opgeleverd. Maar de twee andere gebeurtenissen, welke ergens vóór 28 december vorig jaar moeten zijn gedetecteerd, zitten nog in de sets met ruwe data die nog niet geanalyseerd zijn. Grote kans dus dat als die data verwerkt is we opnieuw te horen krijgen dat de Advanced LIGO zwaartekrachtsgolven heeft waargenomen. 😀
Afijn, na de presentaties en het grote applaus gingen de wetenschappers en persmensen naar een ander gebouw, waar drankjes en hapjes klaar stonden om de ontdekking te vieren en om eventueel vragen te stellen. Ik zal daar nog wel later op terug komen. Ik sluit af met een video (hierboven te zien), waarin je een impressie krijgt van de twee samensmeltende zwarte gaten. Oh ja en met hét wetenschappelijke artikel over de ontdekking – Nobelprijs-proof:
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
B.Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016
Ik moet het zelf ook nog allemaal even laten bezinken. Wordt vast en zeker vervolgd. 🙂
Tenzij je afgelopen maand onder een steen hebt gelegen weet je dat er morgenmiddag om 16.30 uur iets belangrijks in de natuurwetenschap en astronomie staat te gebeuren. Dan houden wetenschappers van
Aanstaande donderdag 11 februari 2016 om 16:30 uur geven wetenschappers van de LIGO Scientific Collaboration en de Virgo Collaboration een update over hun zoektocht naar zwaartekrachtsgolven, de door Albert Einstein voorspelde rimpelingen in de ruimtetijd. De persconferentie vindt plaats een eeuw nadat Einstein de voorspelling van het bestaan van zwaartekrachtsgolven publiceerde. Al enkele maanden doen geruchten de ronde doen over de vraag of de LIGO- en Virgo-teams zwaartekrachtsgolven hebben ontdekt. Aanstaande donderdag zullen de wetenschappers hun inspanningen rond het waarnemen en meten van zwaartekrachtsgolven delen en bediscussi
Credit: LIGO
De geruchtenmachine is weer volop in gang op internet: de geruchten dat men met de LIGO detector signalen van zwaartekrachtsgolven heeft ontdekt, veroorzaakt door een samensmelting (Engels: ‘merger’) van twee zware zwarte gaten, waarover we een maand geleden al schreven, zijn verder aangezweld. Er zou donderdag 11 februari om 10.40 uur door de LIGO groep in Washington DC een persconferentie worden gegeven en daarop zou men volgens de geruchten gaan aankondigen dat met de twee detectoren van de Advanced LIGO – de een in Livingston, Louisiana en de ander in Hanford, Washington (zie afbeelding hieronder) – zwaartekrachtsgolven zijn gezien, afkomstig van het samensmelten van twee zeer zware zwarte gaten, de ene 36 zonsmassa’s en de ander 29 zonsmassa’s zwaar. Indien dit bericht juist is kunnen we er bijna zeker van zijn dat de Nobelprijs voor de Natuurwetenschappen dit jaar naar de ontdekkers gaat.
Impressie van twee zwarte gaten die naar elkaar spiraliseren en botsen. Credit: NASA.
Samen zouden die een zwart gat van 62 zonsmassa’s hebben opgeleverd. Eh… wacht even, 36 + 29 is toch 65? Waar is die drie zonsmassa dan gebleven? Die zou in enkele minuten tijd (!) in de vorm van zwaartekrachtsgolven zijn weggelekt, rimpels in de ruimtetijd. Volgens deze tweet, afkomstig van een collega van de Canadese natuurkundige Cliff Burgess, zou de detectie een betrouwbaarheid van maar liefst 5,1sigma hebben, welke boven de 5sigma ligt, de grens wanneer men spreekt van een ontdekking.
De afbeelding is gisteren opgedoken in een artikel in Science Magazine, dus het is geen obscure bron die er mee aankomt. In de mail van Burgess wordt nog meer informatie vermeld. Men zou in het gevonden signaal ook ’the ring-down to kerr’ hebben gezien, een verschijnsel dat optreedt vanaf het moment dat zwarte gaten botsen en smelten. Als ze samengaan is hun vorm nog niet in evenwicht, door het uitzenden van zwaartekrachtsgolven heeft het nieuwe zwarte gat even de tijd nodig om dat evenwicht te bereiken en die periode wordt de ringdown genoemd. Het eindresultaat is een zogeheten Kerr zwart gat, ook wel een Kerr-Newman zwart gat genoemd, een zwart gat dat roteert. Volgens Lubos Motl zou het ontstane zwarte gat een straal van 185 km hebben, de straal van de waarnemingshorizon, de grens waarbinnen niets meer kan ontsnappen uit het zwarte gat, zelfs licht niet. De frequentie van de uitgezonden zwaartekrachtsgolven zou 300 hertz zijn. Zodra ik meer nieuws heb over deze zoemerdezoem geruchten horen jullie ’t als eerste! Bron: Science Magazine + The Reference Frame.
