Zwaartekrachtsgolven gedetecteerd 100 jaar na Einsteins voorspelling

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 in de laatste fractie van een seconde van de samensmelting van twee zwarte gaten, waardoor één enkel, zwaarder, tollend zwart gat ontstond. De samensmelting van twee zwarte gaten was tot nu toe alleen voorspeld, maar nooit waargenomen.

De zwaartekrachtsgolven zijn op 14 september 2015 om 10.51 uur Nederlandse tijd 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.

Nederlandse wetenschappers spelen belangrijke rol bij ontdekking zwaartekrachtsgolven

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, 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.

Enthousiaste reacties

Minister Jet Bussemaker en staatssecretaris Sander Dekker van wetenschap zijn verheugd over deze historische wetenschappelijke ontdekking:  "Dit laat het belang zien van fundamenteel onderzoek dat de basis vormt van onze kennis over het leven nu én over onze geschiedenis en het ontstaan van het heelal. Dat na 100 jaar de voorspelling van Einstein waarheid wordt is postuum een groot compliment aan Einstein maar ook zeker aan de wetenschappers van nu. Onze felicitaties gaan in het bijzonder uit naar de natuurkundigen van het Nederlandse instituut Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam en sterrenkundigen van de Radboud Universiteit die hebben bijgedragen aan deze prestatie van wereldformaat."

"Ongelooflijk – wat een prachtige ontdekking. Ook mijn felicitaties aan de betrokken Nikhef-wetenschappers en hun Ligo- en Virgo-collega’s. De waarneming van het samensmelten  van twee zwarte gaten is waar uiterste precisie in kennis en instrumentatie samenvalt met de meest onverschrokken verbeelding.", zegt Stan Bentvelsen, directeur van Nikhef.

Zwaartekrachtsgolvenspecialist Jo van den Brand, hoogleraar subatomaire fysica aan de Vrije Universiteit Amsterdam en initiator en leider van het gravitatiefysicaprogramma van Nikhef, voegt daaraan toe: "Wat we hebben gemeten is fantastisch. Het opgevangen signaal is zó helder dat het met het blote oog in de ruwe data is te zien. Een verrassend aspect van deze ontdekking is dat de zwarte gaten die zijn samengesmolten veel zwaarder zijn dan de zwarte gaten die we kennen in dubbelsterren in onze Melkweg."

Chris Van Den Broeck, wetenschapper bij Nikhef, is een van de twee coördinatoren van alle data-analyse rond de meting. Hij werkte met zijn collega’s maandenlang aan de gedetailleerde analyse: "Het signaal komt precies overeen met wat je zou verwachten volgens Einsteins theorie. Nu kunnen we de theorie in de meest extreme situaties testen."

Sterrenkundige Gijs Nelemans (Radboud Universiteit & KU Leuven, en verbonden aan het Nikhef) is ook razend enthousiast: "Dit is het begin van een nieuw tijdperk voor de sterrenkunde. We krijgen een compleet nieuwe manier om naar het heelal te kijken en de meest extreme objecten te bestuderen. Met de nieuwe instrumenten kunnen we het einde van de complexe evolutie van zware dubbelsterren voor het eerst goed vastpinnen."

‘Bouwstenen van materie, fundamenten van ruimte en tijd’. Zo heet een van de zestien exemplarische routes van de Nationale Wetenschapsagenda. Dit fundamentele en door nieuwsgierigheid gedreven thema is gebaseerd op vragen die het Nederlandse publiek heeft gesteld. "Dit onderzoek heeft hier direct mee te maken", zegt Bentvelsen. "Eén van de prominent aanwezige vragen luidt: ‘Wat is de ware aard van zwaartekracht, ruimte en tijd en wat kun je bijvoorbeeld leren van zwarte gaten?’. De ontdekking van zwaartekrachtsgolven is een grote stap op weg naar het beantwoorden van deze vraag."

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. Het GEO-team bestaat uit wetenschappers van het 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 de University of the Balearic Islands in Spanje.

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 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.

Virgo is ontstaan dankzij de visionaire ideeën van Alain Brillet en Adalberto Giazotto. De detector was ontworpen op basis van innovatieve technologieën die het mogelijk maakten om de gevoeligheid uit te breiden naar het lage frequentiebereik. De bouw startte in 1994 en werd gefinancierd door CNRS en INFN; sinds 2007 hebben Virgo en LIGO de data van alle interferometers in het internationale netwerk gedeeld en gezamenlijk geanalyseerd. Na de start van de LIGO-upgrade heeft Virgo tot 2011 data genomen.

Daarna werd het Advanced Virgo project gelanceerd, gefinancierd door CNRS, INFN en Nikhef: de nieuwe detector zal voor het einde van het jaar in gebruik genomen worden. Daarnaast dragen verschillende instituten en universiteiten van de vijf Europese landen van de Virgo-collaboratie bij aan de Advanced Virgo upgrade en de inspanningen rond de ontdekking.

Oorspronkelijk was Ligo in de tachtiger jaren voorgesteld als een manier om zwaartekrachtsgolven te detecteren, door Rainer Weiss, emeritus hoogleraar in de natuurkunde van MIT; Kip Thorne, emeritus Richard P. Feynman professor van theoretische fysica van Caltech; en Ronald Drever, emeritus hoogleraar in de natuurkunde, ook van Caltech.

De ontdekking is 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. Tevens maakte het de ontdekking van zwaartekrachtsgolven mogelijk in de eerste observation run. 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, en de University of Wisconsin-Milwaukee. Verschillende universiteiten hebben belangrijke componenten van Advanced Ligo ontworpen, gebouwd en getest: De Australian National University, de University of Adelaide, de University of Florida, Stanford University, Columbia University of New York, en Louisiana State University.

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).

De Radboud Universiteit is daarnaast zelfstandig lid van Virgo.