Twee jaar geleden, wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hebben voor het eerst zwaartekrachtsgolven gedetecteerd, het bewijzen van Einsteins relativiteitstheorie en zijn voorspelling van hun bestaan. De golven werden veroorzaakt door twee botsende zwarte gaten.

Op 17 augustus 2017, LIGO en de Frans-Italiaanse Virgo-detector hebben een volledig nieuwe klasse van zwaartekrachtgolfsignalen waargenomen:een fusie van binaire neutronensterren. Deze samensmelting en het nagloeien ervan werden bestudeerd door telescopen die het hele elektromagnetische spectrum van gammastraling tot radiogolven omspanden.

Van fundamenteel belang voor zowel natuurkundigen als astronomen, waarnemingen van zwaartekrachtgolven hebben een nieuw wetenschappelijk tijdperk ingeluid. In feite, er werden op één dag zoveel wetenschappelijke artikelen over de fusie van neutronensterren gepubliceerd dat onderzoekers een online index maakten om ze bij te houden.

Nutsvoorzieningen, minder dan twee maanden na die eerste detectie van botsende neutronensterren, Het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) van UC Santa Barbara heeft een programma voor snelle reacties bijeengeroepen voor wetenschappers van over de hele wereld, rechtstreeks ondersteund door de Kavli Foundation. Meer dan 75 natuurkundigen en astronomen bespraken de astrofysica van de fusie van neutronensterren en luisterden naar tientallen presentaties die dieper ingingen op de details van deze meest recente baanbrekende gebeurtenis.

"De bedoeling van 'GW170817:The First Double Neutron Star Merger' is om het bewustzijn te vergroten van de resultaten die zijn geproduceerd door de uitgebreide samenwerking die deze opwindende ontdekkingen deed, " zei KITP-directeur Lars Bildsten. "KITP biedt geïnteresseerde wetenschappers een plek om niet alleen de enorme hoeveelheid gegevens in zich op te nemen die door de laatste gebeurtenis zijn gegenereerd, maar ook om interpretaties van die gegevens te pushen."

Het gravitatiegolfsignaal van augustus produceerde de eerste afstandsmeting naar een nabijgelegen melkwegstelsel door de samensmelting van twee neutronensterren en onderzocht de toestandsvergelijking van materie bij supernucleaire dichtheden. Andere studiegebieden kwamen ook naar voren uit de overvloed aan zwaartekrachtgolven en elektromagnetische gegevens, inclusief de vorming van zware elementen, evenals de gammastraaluitbarsting en andere elektromagnetische signalen die volgden op de fusie van neutronensterren.

De kosmische oorsprong van elementen die zwaarder zijn dan ijzer is het onderwerp van veel discussie geweest. Hoewel theoretische modellen aantonen dat materie die wordt uitgestoten in een fusie van neutronensterren zich kan vormen tot goud en platina in een proces dat bekend staat als snelle neutronenvangst (r-process) nucleosynthese, deze laatste gebeurtenis biedt solide directe observatie.

"Voor jaren, mensen hebben geprobeerd te bestuderen hoe de zwaarste elementen werden gevormd door te kijken naar sporenfossiele overblijfselen van die elementen in de zon of in meteorieten, " verklaarde astrofysicus Daniel Kasen van UC Berkeley, een coördinator van het KITP-programma. "Eindelijk, met deze gebeurtenis hadden we het zuivere monster van zware elementen uit de fusie van de neutronensterren en we waren in staat om het direct te onderzoeken, observerend, door te kijken naar het licht van de radioactieve gloed van die zware elementen."

Voor een aantal jaar, natuurkundigen en astronomen - van wie velen in 2012 een langer KITP-programma over een soortgelijk onderwerp hebben gevolgd - hebben gemodelleerd hoe een fusie van dubbele neutronensterren eruit zou zien. Het blijkt dat veel modellen van deze uiterst gecompliceerde verschijnselen griezelig nauwkeurig waren.

"De zwaartekrachtsgolven vertelden ons dat dit neutronensterren waren en de elektromagnetische waarnemingen vertelden ons over het spectrum van het radioactieve verval dat r-proceselementen produceert, " zei Duncan Brown, de Charles Brightman Endowed Professor of Physics aan de Syracuse University en hoofdcoördinator van het KITP rapid-response-programma. "Je zet die twee bij elkaar en ze vervolledigen onze kennis van de oorsprong van het periodiek systeem."

Een ander actueel onderwerp van het programma was de elektromagnetische tegenhanger van de fusie van neutronensterren. De gammastraaluitbarsting joeg de zwaartekrachtsgolven 130 miljoen lichtjaar door het heelal om op aarde slechts twee seconden van elkaar te worden waargenomen. Dit toonde aan dat fusies van neutronensterren de lang gezochte oorsprong zijn van gammastraaluitbarstingen. Het toonde ook aan dat tot extreem hoge nauwkeurigheid de snelheid van de zwaartekracht en de lichtsnelheid hetzelfde zijn, die, volgens Bruin, sluit een grote klasse van gewijzigde zwaartekrachttheorieën uit.

"Wat voor mij verrassend was, zijn de discussies over de mogelijke emissiemechanismen van gammastraaluitbarstingen, Brown zei. "In zwaartekrachtsgolfastronomie, de theorie loopt 50 jaar voor op de waarnemingen, overwegende dat de elektromagnetische kant andersom is; de waarnemingen lopen 50 jaar voor op de theorie. Het wordt interessant om te zien hoe dit evolueert."

Natuurkundigen en astronomen krijgen nog een kans om zwaartekrachtgolfwetenschap te onderzoeken in een toekomstig KITP-programma dat gepland staat voor 2019. "The New Era of Gravitational-Wave Physics and Astrophysics" zal een brede groep experts samenbrengen om de astrofysica en fundamentele fysica te bespreken die kan worden geleerd van de op dat moment beschikbare waarnemingen, die hopelijk aanzienlijk zal zijn.

LIGO en Virgo werken hun instrumentatie bij in de hoop dat wanneer ze in de herfst van 2018 weer online komen met verhoogde gevoeligheid, hun inspanningen zullen aanvullende waarnemingen van zwaartekrachtgolfsignalen opleveren, misschien uit andere bronnen.

"Ze zullen niet allemaal hetzelfde zijn in massa's of spins en misschien zullen we een zwart gat en een neutronenster tegen elkaar zien botsen, Brown zei. "Dit is eigenlijk nog maar het begin van een wereldwijde poging om deze botsingen te gebruiken om fundamentele fysica te bestuderen. astrofysica en stellaire evolutie."