De Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) heeft een derde detectie van zwaartekrachtgolven gedaan, rimpelingen in ruimte en tijd, waaruit blijkt dat een nieuw venster in de astronomie stevig is geopend. Zoals het geval was bij de eerste twee detecties, de golven werden gegenereerd toen twee zwarte gaten met elkaar in botsing kwamen om een ​​groter zwart gat te vormen.

Het pas ontdekte zwarte gat, gevormd door de fusie, heeft een massa van ongeveer 49 keer die van onze zon. Dit vult een gat tussen de massa's van de twee samengevoegde zwarte gaten die eerder door LIGO zijn gedetecteerd, met zonnemassa's van 62 (eerste detectie) en 21 (tweede detectie).

"We hebben verdere bevestiging van het bestaan ​​van zwarte gaten met stellaire massa die groter zijn dan 20 zonsmassa's - dit zijn objecten waarvan we niet wisten dat ze bestonden voordat LIGO ze ontdekte, ", zegt David Shoemaker van MIT, de nieuw gekozen woordvoerder van de LIGO Scientific Collaboration (LSC), een lichaam van meer dan 1, 000 internationale wetenschappers die samen met de in Europa gevestigde Virgo Collaboration LIGO-onderzoek uitvoeren. "Het is opmerkelijk dat mensen een verhaal kunnen samenstellen, en test het, voor zulke vreemde en extreme gebeurtenissen die miljarden jaren geleden en miljarden lichtjaren van ons vandaan plaatsvonden. De hele wetenschappelijke samenwerkingen van LIGO en Maagd hebben gewerkt om al deze stukken samen te voegen."

De nieuwe detectie vond plaats tijdens de huidige waarnemingsrun van LIGO, die op 30 november begon, 2016, en gaat door tot de zomer. LIGO is een internationale samenwerking met leden over de hele wereld. De waarnemingen worden uitgevoerd door twee detectoren - één in Hanford, Washington, en de andere in Livingston, Louisiana - geëxploiteerd door Caltech en MIT met financiering van de National Science Foundation (NSF).

LIGO deed de allereerste directe waarneming van zwaartekrachtsgolven in september 2015 tijdens zijn eerste waarnemingsrun sinds het grote upgrades onderging in een programma met de naam Advanced LIGO. De tweede detectie vond plaats in december 2015. De derde detectie, genaamd GW170104 en gemaakt op 4 januari, 2017, wordt beschreven in een nieuw artikel dat is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

In alle drie de gevallen elk van de tweelingdetectoren van LIGO detecteerde zwaartekrachtsgolven van de enorm energetische samensmeltingen van paren van zwarte gaten. Dit zijn botsingen die meer kracht produceren dan op enig moment als licht wordt uitgestraald door alle sterren en sterrenstelsels in het universum. De recente detectie lijkt nog het verst te zijn, met de zwarte gaten op ongeveer 3 miljard lichtjaar afstand. (De zwarte gaten in de eerste en tweede detectie bevinden zich op 1,3 en 1,4 miljard lichtjaar afstand, respectievelijk.)

De nieuwste waarneming geeft ook aanwijzingen over de richtingen waarin de zwarte gaten draaien. Terwijl paren zwarte gaten om elkaar heen draaien, ze draaien ook om hun eigen as - als een paar schaatsers die individueel ronddraaien terwijl ze ook om elkaar heen cirkelen. Soms draaien zwarte gaten in dezelfde algemene baanrichting als het paar beweegt - wat astronomen noemen uitgelijnde spins - en soms draaien ze in de tegenovergestelde richting van de baanbeweging. Bovendien, zwarte gaten kunnen ook weg van het baanvlak worden gekanteld. Eigenlijk, zwarte gaten kunnen alle kanten op draaien.

De nieuwe LIGO-gegevens kunnen niet bepalen of de recent waargenomen zwarte gaten gekanteld waren, maar ze impliceren dat ten minste één van de zwarte gaten mogelijk niet uitgelijnd was in vergelijking met de algehele baanbeweging. Meer waarnemingen met LIGO zijn nodig om iets definitiefs te zeggen over de spins van binaire zwarte gaten, maar deze vroege gegevens bieden aanwijzingen over hoe deze paren zich kunnen vormen.

"Dit is de eerste keer dat we bewijs hebben dat de zwarte gaten mogelijk niet uitgelijnd zijn, geeft ons slechts een kleine hint dat binaire zwarte gaten zich kunnen vormen in dichte stellaire clusters, " zegt Bangalore Sathyaprakash van Penn State en Cardiff University, een van de redacteuren van de nieuwe krant, die is geschreven door de hele LSC en Virgo Collaborations.

Er zijn twee primaire modellen om uit te leggen hoe binaire paren zwarte gaten kunnen worden gevormd. Het eerste model stelt voor dat de zwarte gaten samen worden geboren:ze vormen wanneer elke ster in een paar sterren explodeert, en dan, omdat de oorspronkelijke sterren op één lijn draaiden, de zwarte gaten blijven waarschijnlijk uitgelijnd.

Bij het andere model de zwarte gaten komen later in het leven samen in dichtbevolkte stellaire clusters. De zwarte gaten vormen een paar nadat ze naar het centrum van een sterrenhoop zijn gezonken. In dit scenario, de zwarte gaten kunnen in elke richting draaien ten opzichte van hun baanbeweging. Omdat LIGO enig bewijs ziet dat de GW170104 zwarte gaten niet-uitgelijnd zijn, de gegevens geven enigszins de voorkeur aan deze dichte stellaire clustertheorie.

"We beginnen echte statistieken te verzamelen over binaire zwarte gatensystemen, " zegt Keita Kawabe van Caltech, tevens redacteur van de krant, die is gebaseerd op het LIGO Hanford Observatorium. "Dat is interessant omdat sommige modellen van binaire vorming van zwarte gaten zelfs nu enigszins de voorkeur genieten boven de andere en, in de toekomst, we kunnen dit verder verfijnen."

De studie stelt ook nogmaals de theorieën van Albert Einstein op de proef. Bijvoorbeeld, de onderzoekers zochten naar een effect dat dispersie wordt genoemd, die optreedt wanneer lichtgolven in een fysiek medium zoals glas met verschillende snelheden reizen, afhankelijk van hun golflengte; zo creëert een prisma een regenboog. Einsteins algemene relativiteitstheorie verbiedt verspreiding in zwaartekrachtsgolven wanneer ze zich voortplanten van hun bron naar de aarde. LIGO vond geen bewijs voor dit effect.

"Het lijkt erop dat Einstein gelijk had - zelfs voor deze nieuwe gebeurtenis, wat ongeveer twee keer verder weg is dan onze eerste ontdekking, " zegt Laura Cadonati van Georgia Tech en de plaatsvervangend woordvoerder van de LSC. "We kunnen geen afwijking zien van de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie, en deze grotere afstand helpt ons om die uitspraak met meer vertrouwen te doen."

"De LIGO-instrumenten hebben indrukwekkende gevoeligheden bereikt, " merkt Jo van den Brand op, de woordvoerder van de Maagd Samenwerking, een natuurkundige bij het Nederlands Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) en hoogleraar aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. "We verwachten dat tegen deze zomer Maagd, de Europese interferometer, zal het netwerk van detectoren uitbreiden, helpt ons om de signalen beter te lokaliseren."

Het LIGO-Virgo-team blijft de nieuwste LIGO-gegevens doorzoeken op tekenen van ruimte-tijdrimpelingen uit de verre uithoeken van de kosmos. Ze werken ook aan technische upgrades voor de volgende run van LIGO, gepland voor eind 2018, waarbij de gevoeligheid van de detectoren wordt verbeterd.

"Met de derde bevestigde detectie van zwaartekrachtsgolven door de botsing van twee zwarte gaten, LIGO vestigt zich als een krachtig observatorium om de donkere kant van het universum te onthullen, " zegt David Reitze van Caltech, uitvoerend directeur van het LIGO-laboratorium. "Hoewel LIGO bij uitstek geschikt is om dit soort evenementen te observeren, we hopen binnenkort andere soorten astrofysische gebeurtenissen te zien, zoals de gewelddadige botsing van twee neutronensterren."