Den 11. februar 2016 annoncerede forskere ved Laser Interferometer Gravitations-Wave Observatory (LIGO) den første detektion af gravitationsbølger. Denne udvikling, som bekræftede en forudsigelse, der blev foretaget af Einsteins teori om generel relativitet for et århundrede siden, har åbnet nye muligheder for forskning for kosmologer og astrofysikere. Siden den tid er der blevet foretaget flere detektioner, som alle siges at være resultatet af, at sorte huller fusionerede.
Den seneste detektion fandt sted den 14. august 2017, da tre observatorier - Advanced LIGO og Advanced Virgo-detektorerne - samtidig registrerede tyngdekraftsbølger oprettet ved sammenfletning af sorte huller. Dette var første gang, at tyngdekraftsbølger blev detekteret af tre forskellige faciliteter fra hele verden, hvilket indledte en ny æra med globalt netværksundersøgelse af disse kosmiske fænomener.
Undersøgelsen, der detaljerede disse observationer, blev for nylig offentliggjort online af LIGO Scientific Collaboration og Virgo Collaboration. Med titlen “GW170814: En tre-detektorobservation af tyngdekraftsbølger fra en binær sorte hulkoalescens”, er denne undersøgelse også godkendt til offentliggørelse i det videnskabelige tidsskrift Fysiske gennemgangsbreve.
Begivenheden, der blev betegnet som GW170814, blev observeret kl. 10:30:43 UTC (06:30:43 EDT; 03:30:43 PDT) den 14. august 2017. Begivenheden blev fundet af National Science Foundation's to LIGO detektorer (beliggende i Livingston, Louisiana og Hanford, Washington) og jomfruedetektoren beliggende i nærheden af Pisa, Italien - som vedligeholdes af National Center for Scientific Research (CNRS) og National Institute for Nuclear Physics (INFN).
Selvom ikke den første forekomst af gravitationsbølger blev detekteret, var dette første gang, at en begivenhed blev fundet af tre observatorier samtidigt. Som France Córdova, direktøren for NSF, sagde i en nylig pressemeddelelse fra LIGO:
”For lidt mere end halvandet år siden meddelte NSF, at dets laserinterferometer-gravitationsbølgeobservatorium havde foretaget den første nogensinde påvisning af gravitationsbølger, som blev resultatet af kollisionen af to sorte huller i en galakse en milliard lysår væk. I dag er vi glade for at kunne meddele den første opdagelse, der blev foretaget i partnerskab mellem Virgo-gravitationsbølgeobservatoriet og LIGO Scientific Collaboration, første gang en gravitationsbølgedetektion blev observeret af disse observatorier, der ligger tusinder af miles fra hinanden. Dette er en spændende milepæl i den voksende internationale videnskabelige indsats for at låse vores universers ekstraordinære mysterier op. ”
Baseret på de fundne bølger var LIGO Scientific Collaboration (LSC) og Virgo-samarbejdet i stand til at bestemme typen af begivenhed såvel som massen af de involverede genstande. Ifølge deres undersøgelse blev begivenheden udløst af fusionen af to sorte huller - der var henholdsvis 31 og 25 solmasser. Begivenheden fandt sted omkring 1,8 milliarder lysår fra Jorden og resulterede i dannelsen af et roterende sort hul med omkring 53 solmasser.
Hvad dette betyder, er, at omkring tre solmasser blev konverteret til gravitationsbølgenergi under fusionen, som derefter blev opdaget af LIGO og Jomfruen. Selvom den nyeste detektion er imponerende, er den kun en smag på, hvad tyngdepunktbølgedetektorer som LIGO og Virgo-samarbejdet kan gøre nu, når de er gået ind i deres avancerede stadier, og ind i samarbejde med hinanden.
Både Advanced LIGO og Advanced Virgo er anden generation af gravitationsbølgedetektorer, der har overtaget fra tidligere. LIGO-faciliteterne, der blev udtænkt, bygget og driftet af Caltech og MIT, indsamlede data uden held mellem 2002 og 2010. Fra september 2015 gik Advanced LIGO imidlertid online og begyndte at gennemføre to observationsløb - O1 og O2.
I mellemtiden gennemførte den originale Jomfruedetektor observationer mellem 2003 og oktober 2011, igen uden succes. I februar 2017 begyndte integrationen af Advanced Virgo-detektoren, og instrumenterne gik online i april efter. I 2007 samarbejdede Virgo og LIGO også med at dele og analysere de data, der blev registreret af deres respektive detektorer.
I august 2017 sluttede Virgo-detektoren sig til O2-kørslen, og den første nogensinde samtidige detektion fandt sted den 14. august, hvor data blev indsamlet af alle tre LIGO- og Virgo-instrumenter. Som LSC-talsmand David Shoemaker - en forsker med Massachusetts Institute of Technology (MIT) - antydede, er denne detektion blot den første af mange forventede begivenheder.
”Dette er bare begyndelsen på observationer med det netværk, der er aktiveret af Virgo og LIGO, der arbejder sammen,” sagde han. "Med det næste observationsløb, der er planlagt til efteråret 2018, kan vi forvente sådanne afsløringer ugentligt eller endnu oftere."
Ikke kun vil dette betyde, at forskere har et bedre skud på at registrere fremtidige begivenheder, men de vil også være i stand til at præcisere dem med langt større nøjagtighed. Faktisk forventes overgangen fra et to- til et tre-detektornetværk at øge sandsynligheden for at finde kilden til GW170814 med en fabrik på 20. Himmelregionen for GW170814 er kun 60 kvadrat grader - mere end 10 gange mindre end med data fra LIGOs interferometre alene.
Derudover har nøjagtigheden, som afstanden til kilden måles, også haft gavn af dette partnerskab. Som Laura Cadonati, en Georgia Tech-professor og LSC's stedfortrædende talsmand, forklarede:
”Denne øgede præcision giver hele det astrofysiske samfund mulighed for i sidste ende at gøre endnu mere spændende opdagelser, inklusive observationer af flere messenger. Et mindre søgeområde muliggør opfølgningsobservationer med teleskoper og satellitter til kosmiske begivenheder, der frembringer gravitationsbølger og lysemissioner, som f.eks. Kollision af neutronstjerner. ”
I sidste ende vil det at bringe flere detektorer ind i gravitationsbølgenetværket også give mulighed for mere detaljerede test af Einsteins teori om generel relativitet. Caltechs David H. Reitze, administrerende direktør for LIGO Laboratory, roste også det nye partnerskab, og hvad det vil give mulighed for.
”Med denne første fælles detektion af Advanced LIGO- og Virgo-detektorerne har vi taget et skridt videre ind i gravitationsbølgekosmos,” sagde han. "Jomfruen bringer en kraftfuld ny kapacitet til at opdage og bedre lokalisere gravitationsbølgekilder, en der uden tvivl vil føre til spændende og uventede resultater i fremtiden."
Undersøgelsen af gravitationsbølger er et vidnesbyrd om den voksende evne hos verdens videnskabsteam og videnskaben om interferometri. I årtier var eksistensen af gravitationsbølger blot en teori; og ved århundredeskiftet havde alle forsøg på at opdage dem intet. Men i løbet af de sidste 18 måneder er der blevet foretaget flere detektioner, og der forventes snesevis flere i de kommende år.
Hvad mere er, takket være det nye globale netværk og de forbedrede instrumenter og metoder, fortæller disse begivenheder os volumen om vores univers og den fysik, der styrer det.
