Den 11 februari 2016 meddelade forskare vid Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den första upptäckten av gravitationsvågor. Denna utveckling, som bekräftade en förutsägelse gjord av Einsteins teori om allmän relativitet för ett sekel sedan, har öppnat nya vägar för forskning för kosmologer och astrofysiker. Sedan den tiden har fler upptäckter gjorts, som alla sägs vara resultatet av att svarta hål slogs samman.
Den senaste upptäckten ägde rum den 14 augusti 2017, då tre observatorier - Advanced LIGO och Advanced Virgo-detektorerna - samtidigt upptäckte gravitationsvågorna skapade genom sammanslagning av svarta hål. Detta var första gången som gravitationsvågor upptäcktes av tre olika anläggningar från hela världen, vilket inledde en ny era av globalt nätverkande forskning om detta kosmiska fenomen.
Studien som detaljerade dessa observationer publicerades nyligen online av LIGO Scientific Collaboration och Virgo Collaboration. Med titeln “GW170814: En tredetektorobservation av gravitationella vågor från en binär svart hålkolosens”, har denna studie också accepterats för publicering i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev.
Händelsen, benämnd GW170814, observerades klockan 10:30:43 UTC (06:30:43 EDT; 03:30:43 PDT) den 14 augusti 2017. Händelsen upptäcktes av National Science Foundation: s två LIGO detektorer (belägen i Livingston, Louisiana och Hanford, Washington) och Virgo-detektorn belägen nära Pisa, Italien - som underhålls av National Center for Scientific Research (CNRS) och National Institute for Nuclear Physics (INFN).
Även om inte det första fallet av att gravitationsvågor upptäcktes, var det första gången en händelse upptäcktes av tre observatorier samtidigt. Som Frankrike Córdova, chef för NSF, sa i ett pressmeddelande från LIGO:
”För lite mer än ett och ett halvt år sedan tillkännagav NSF att dess laserinterferometer gravitationella vågobservatorium hade gjort den första någonsin att upptäcka gravitationsvågor, vilket resulterade från kollisionen av två svarta hål i en galax en miljard ljusår bort. Idag är vi glada över att tillkännage den första upptäckten som gjordes i partnerskap mellan Virgo gravitationsvågobservatorium och LIGO Scientific Collaboration, första gången en gravitationsvågsdetektering observerades av dessa observatorier, som ligger tusentals mil från varandra. Detta är en spännande milstolpe i den växande internationella vetenskapliga ansträngningen att låsa upp vårt universums extraordinära mysterier. ”
Baserat på de upptäckta vågorna kunde LIGO Scientific Collaboration (LSC) och Virgo-samarbetet bestämma händelsetypen och massan på de inblandade föremålen. Enligt deras studie utlöstes händelsen genom sammanslagningen av två svarta hål - som var 31 respektive 25 solmassor. Händelsen ägde rum cirka 1,8 miljarder ljusår från jorden och resulterade i bildandet av ett snurrande svart hål med cirka 53 solmassor.
Vad detta betyder är att cirka tre solmassa omvandlades till gravitationsvågenergi under sammanslagningen, som sedan upptäcktes av LIGO och Virgo. Även om det är imponerande på egen hand är den senaste upptäckten bara en smak av vad gravitationsvågdetektorer som LIGO och Virgo-samarbetet kan göra nu när de har gått in i sina avancerade stadier och i samarbete med varandra.
Både Advanced LIGO och Advanced Virgo är andra generationens gravitationsvågdetektorer som har tagit över från tidigare. LIGO-anläggningarna, som utformades, byggdes och drivs av Caltech och MIT, samlade in data utan framgång mellan 2002 och 2010. Från och med september 2015 gick Advanced LIGO online och började genomföra två observationslöpningar - O1 och O2.
Under tiden genomförde den ursprungliga jungfrudetektorn observationer mellan 2003 och oktober 2011, återigen utan framgång. I februari 2017 började integrationen av Advanced Virgo-detektorn, och instrumenten gick online senast i april. Under 2007 samarbetade Virgo och LIGO också för att dela och gemensamt analysera de uppgifter som registrerats av respektive detektor.
I augusti 2017 anslöt sig Virgo-detektorn till O2-körningen och den första någonsin samtidiga upptäckten ägde rum den 14 augusti, där data samlades in av alla tre LIGO- och Virgo-instrumenten. Som LSC-talesman David Shoemaker - en forskare med Massachusetts Institute of Technology (MIT) - indikerade, är denna upptäckt bara den första av många förväntade händelser.
”Det här är bara början på observationer med nätverket som Virgo och LIGO arbetar tillsammans,” sade han. "Med nästa observationsplan som planeras till hösten 2018 kan vi förvänta oss sådana upptäckter varje vecka eller ännu oftare."
Inte bara kommer detta att innebära att forskare har en bättre bild av att upptäcka framtida händelser, utan de kan också fastställa dem med mycket större noggrannhet. I själva verket förväntas övergången från ett två- till tre-detektornätverk öka sannolikheten för att fastställa källan till GW170814 med en fabrik på 20. Himmelregionen för GW170814 är bara 60 kvadratgrader - mer än 10 gånger mindre än med data från LIGOs interferometrar ensam.
Dessutom har noggrannheten med vilken avståndet till källan mäts gynnats av detta partnerskap. Som Laura Cadonati, en Georgia Tech-professor och LSC: s vice talesman, förklarade:
”Denna ökade precision gör att hela astrofysiska samhället så småningom kan göra ännu mer spännande upptäckter, inklusive observationer av flera budbärare. Ett mindre sökområde möjliggör uppföljningsobservationer med teleskoper och satelliter för kosmiska händelser som producerar gravitationsvågor och ljusutsläpp, till exempel kollision av neutronstjärnor. ”
I slutändan kommer att föra fler detektorer in i gravitationsvågenätet också möjliggöra mer detaljerade tester av Einsteins teori om allmän relativitet. Caltechs David H. Reitze, verkställande direktören för LIGO-laboratoriet, berömde också det nya partnerskapet och vad det kommer att tillåta.
"Med denna första gemensamma detektion av Advanced LIGO- och Virgo-detektorerna har vi tagit ett steg längre in i gravitationsvågskosmos," sade han. "Virgo ger en kraftfull ny förmåga att upptäcka och bättre lokalisera gravitationsvågkällor, en som utan tvekan kommer att leda till spännande och oförutsedda resultat i framtiden."
Studien av gravitationsvågor är ett bevis på den växande förmågan hos världens vetenskapsteam och vetenskapen om interferometri. I decennier var förekomsten av gravitationsvågor bara en teori; och vid sekelskiftet hade alla försök att upptäcka dem inte gett något. Men de senaste åtta månaderna har flera upptäckter gjorts och dussintals fler förväntas under de kommande åren.
Tack vare det nya globala nätverket och de förbättrade instrumenten och metoderna kommer dessa händelser säkert att berätta för oss volymer om vårt universum och fysiken som styr det.
