Zwaartekrachtgolven waargenomen? Ja!

[Michel Uphoff]

Het laatste stukje van het signaal (geschoond voor ruis) van GW151226 met de 'ringdown'; de samensmelting van beide black holes:
 

GW151226 ringdown 2353 keer bekeken

Bron: Ligo, m.u. Klik voor grotere afbeelding.
 
Hier is de fusie te beluisteren (originele frequentie, geschoond):

[De extensie mp3 is uitgeschakeld en kan niet langer worden weergegeven.]

Hier dezelfde golf, alleen verhoogd tot een voor het menselijk oor beter hoorbare frequentie:

[De extensie mp3 is uitgeschakeld en kan niet langer worden weergegeven.]

[Professor Puntje]

Hoe worden ruis en signaal op een objectieve manier gescheiden?

[Michel Uphoff]

Heel globaal zijn de hoofdstappen als volgt:
 
- Zodra een detector een signaal opvangt dat specifiek is voor een merger (binnen de specificaties van de interferometer), gaat er een alarm af.
- Als de andere detector binnen 15 milliseconden eveneens eenzelfde alarm afgeeft wordt de analysefase gestart
- Bij beide detectoren wordt de data van de vele sensoren rond het hoofdinstrument gecontroleerd op afwijkingen die op een andere oorzaak kunnen wijzen
- Als de sensoren bij beide detectoren geen verstoring van betekenis hebben gevonden wordt er een uitgebreide analyse gestart waarbij de standaard achtergrondruis zo veel als mogelijk is van het signaal afgetrokken
- Indien het resterende signaal inderdaad de specifieke frequentiesweep (lage naar hoge frequentie binnen zeer korte tijd volgens een specifiek pad) lijkt te bevatten wordt een diepteanalyse via meerdere onafhankelijke methoden bij beide detectoren afzonderlijk uitgevoerd.
- Indien de signaal-ruis verschillen voldoende groot zijn, en de voor een merger kenmerkende sweep komt bij beide detectoren met voldoende zekerheid (5 sigma) in beeld wordt (na vele controleslagen) de ontdekking bekend gemaakt.
 
De gebruikte methodes zijn behoorlijk complex, en omvatten allerhande statistische filters waar ik weinig kennis van heb. In het paper bij #92 worden ze in algemene bewoordingen beschreven, en in de (vele) verwijzingen zal de nodige informatie te vinden zijn over de details van de gebruikte methodieken.

[Professor Puntje]

Een ingewikkeld verhaal inderdaad.
 
Probleem is dat je in ruis bij filtering en lang genoeg wachten van alles kan vinden. Maar de kans dat je dan op twee verschillende plaatsen op aarde kort na elkaar hetzelfde vindt is uiteraard klein. Het komt er dus op neer dat we op goed vertrouwen moeten aannemen dat men de statistische analyses goed uitgevoerd heeft.
 
Ik zou ook graag eens zien wat er na filtering op een willekeurig moment sowieso al voor signalen gevonden worden. Dat geeft dan een visuele indruk van de mate waarin het gezochte specifieke signaal inderdaad iets uitzonderlijks is.

[Michel Uphoff]

Het komt er dus op neer dat we op goed vertrouwen moeten aannemen dat men de statistische analyses goed uitgevoerd heeft.

 
Die analyse is natuurlijk niet door een handvol mensen gedaan, er zijn honderden wetenschappers mee bezig geweest die diverse onafhankelijk controles van elkaars werk hebben verricht. Kijk eens naar de indrukwekkend lange lijst namen onder de eerste PDF van GW150914. De meest grondige peer review die ik ken.
 
Het signaal van 14 september 2015 is ook met het blote oog in het tijd-frequentie spectrum zeer goed zichtbaar. Dit signaal is nog niet ontdaan van ruis en niet gecorrigeerd:
 

Image1 2354 keer bekeken

GW150914
 
Het tweede signaal was duidelijk zwakker en valt een stuk minder op, reden waarom het tot gisteren duurde voordat men een >5σ detectie bekend kon maken. Hieronder zie je eerst de ruis en verstoringen en even later het signaal dat door LIGO Hanford werd opgepikt.
 

LIGOgw151226 2354 keer bekeken

GW151226

[Professor Puntje]

Op het eerste plaatje is inderdaad meer te zien. Ik heb er met rood ingetekend welke signalen ik met het blote oog zie:
 

signaal 2353 keer bekeken

 
Hopelijk gaat men in de toekomst signalen meten die duidelijk(er) boven het ruisniveau uitsteken. Nu vind ik het nog niet overtuigend. Het is wel vaker voorgekomen dat ontdekkingen waar vele mensen aan gewerkt hadden achteraf moesten worden herroepen.
 
 

[Michel Uphoff]

Hopelijk gaat men in de toekomst signalen meten die duidelijk(er) boven het ruisniveau uitsteken.

 
Mogelijk al eind dit jaar als ook Virgo up and running is en beide Ligo's upgraded zijn, en anders later met eLisa en/of de Einstein telescoop.
Maar twee maal een > 5 sigma meting is toch echt overtuigend te noemen, dat is twee keer opeenvolgend een 1 op 3,5 miljoen kans dat het een statistische anomalie was.

[Olof Bosma]

In 55 steeds nauwere er snellere omlopen (35 tot 450 Hz) bereikte de black hole's de halve lichtsnelheid en fuseerden ze tot een zwaarder zwart gat.
 

 
Wanneer je het opgeschoonde mp3-signaal op de originele frequentie analyseert, kun je zien dat de uiteindelijke frequentie oploopt tot ca. 950 Hz. Dat is dan wel na de maximale amplitude, dus tijdens de fusie. Misschien is de snelheid nog wel hoger opgelopen, of komt het doordat de gaten elkaar dichter zijn genaderd terwijl er toch nog zwaartekrachtgolven kunnen ontsnappen.

[Professor Puntje]

Die p-waarden zeggen mij niet zo veel:
 
http://www.nature.com/news/scientific-method-statistical-errors-1.14700
 
Uit de plaatjes zie ik dat de mogelijke signalen zijn ondergedompeld in een zee van ruis. De meetapparatuur is duidelijk nog onvoldoende uitontwikkeld. Dat zijn dus ook geen overtuigende bewijzen. In de natuurwetenschap is het bovendien nooit afdoende wanneer iets één of twee keer lijkt te zijn aangetroffen. Zaken moeten onafhankelijk en liefst nog op verschillende manieren worden geverifieerd. Best mogelijk dat er zwaartekrachtsgolven bestaan. Maar om dat nu al als een uitgemaakte zaak te beschouwen is het nog veel te vroeg. Heel spannend hoe het verder gaat. Ik blijf het volgen.

[Michel Uphoff]

Olaf: Dat is dan wel na de maximale amplitude, dus tijdens de fusie.

 
Dat is inderdaad de 'ringdown', de nagalm. De fusie is dan een feit, en het nieuwe black hole wobbelt nog na zoals een ballon gevuld met water die een klap heeft gekregen. Voor de bepaling van de massa is de frequentie direct voor de fusie van belang, die geeft immers aan welke de maximale omloopfrequentie is geweest. Volgens het rapport was dat 450 Hz.
 

Zaken moeten onafhankelijk en liefst nog op verschillende manieren worden geverifieerd.

 
De metingen van beide ligo's zijn strikt onafhankelijk vastgesteld, een standaardpraktijk. Bovendien was er al jaren een op volslagen andere manier verkregen indirect bewijs voor zwaartekrachtgolven aanwezig, de Hulse-Taylor pulsar. De 'inspiral' van deze dubbelster kwam exact overeen met de voorspellingen van de ART, een onderzoek dat in 1993 al een Nobelprijs waard was (klik). Zie de bijlage.
 

naamloos 2353 keer bekeken

De gemeten waarden (punten) en de voorspelde waarden (lijn) van de inspiral van de Hulse-Taylor pulsar.
 

PP: Dat zijn dus ook geen overtuigende bewijzen

 
Laten we het er op houden dat de overgrote meerderheid van de wetenschappelijke wereld het niet met jou eens is.
 
Bijlage:

Relativistic Binary Pulsar B1913+16

(556.68 KiB) 223 keer gedownload

[Michel Uphoff]

Zie ook DIT bericht over de toekenning van de Nobelprijs voor natuurkunde en het belang van de Multi-Messenger astronomie.
 
Mogelijk is het al zover, en wordt de eerste multi-messenger waarneming van zwaartekrachtgolven (dus een optische waarneming van een bron die hier op Aarde waargenomen gravitatiegolven heeft veroorzaakt) op maandag 16 oktober om 16 uur (NL tijd) bekend gemaakt. Waar ik bijvoorbeeld aan denk is de allereerste waarneming van trillingen van de ruimtetijd veroorzaakt door twee samensmeltende neutronensterren en dan ook nog met optische opvolging.

Dat is natuurlijk speculatie, maar het feit dat de National Science Foundation en de Ligo en Virgo collaboration op dat moment een grote persconferentie geven en dat daar vertegenwoordigers van 70(!) sterrenwachten bij aanwezig zullen zijn doet vermoeden dat er iets groots op de rol staat.

Scientists representing LIGO, Virgo, and some 70 observatories will reveal new details and discoveries made in the ongoing search for gravitational waves

 
Meer lezen: klik

Aanvulling:
Nu ook ons eigen NikHef tegelijk een persconferentie blijkt te houden, en ESO (met de grote sterrenwachten in Chili) meldt dat er op hetzelfde moment een "Unprecedented discovery" bekend wordt gemaakt en er een vooraankondiging van 7(!) artikelen in Nature is afgegeven, kan het niet meer missen. De (astronomische) wereld krijgt maandag groot nieuws te horen.

Announcement

Media Advisory: Press Conference at ESO HQ Announcing Unprecedented Discovery

ESO will hold a press conference on 16 October 2017 at 16:00 CEST, at its Headquarters in Garching, Germany, to present groundbreaking observations of an astronomical phenomenon that has never been witnessed before.

[NonceScience]

Kan niet wachten Michel.

[Michel Uphoff]

Inderdaad is het al zo ver en de astronomische wereld is er lyrisch over.

De zwaartekrachtgolven uitgezonden tijdens de samensmelting van twee neutronensterren zijn op 17 augustus dit jaar voor het eerst waargenomen. En dat niet alleen, de gebeurtenis is ook met infrarood-, ultraviolet-, röntgen- en radiotelescopen waargenomen.

Multi-Messenger astronomie is nu een feit!

Beide sterrestanten waren ongeveer 1,5 keer zo zwaar als de Zon en bevonden zich op 130 miljoen lichtjaar in een ander sterrenstelsel. Hun samensmelting heeft waarschijnlijk geleid tot de vorming van een zeer licht zwart gat of een zeer zware neutronenster. Gedurende ongeveer 100 seconden zijn de rimpelingen in de ruimtetijd van steeds sneller naar elkaar spiraliserende superzware objecten door Ligo/Virgo waargenomen. 

Image1 2613 keer bekeken

De frequentie sweep van de samensmelting. Bron: Ligo/Virgo collaboration.

Omdat de golven door Ligo 1 en 2 en Virgo werden waargenomen, kon de positie aan de hemel vrij nauwkeurig worden bepaald. Er was wat geluk bij nodig; Virgo nam het signaal heel zwak waar, een aanwijzing dat de gebeurtenis in de 'blinde hoek' van Virgo plaatsvond (onder een hoek van 45 graden tov de armen) en dat is een heel klein stukje hemel. Het uit de data gedestilleerde zoekgebied was slechts enkele tientallen vierkante graden groot.

Automatisch gewaarschuwd door Ligo/Virgo werden een aantal telescopen op het aangewezen gebied gericht. 1,7 seconden na de detectie door Ligo/Virgo zag de ruimtetelescoop Fermi een gammaflits. Met tientallen andere telescopen werd de nagloed in zichtbaar licht, infrarood, röntgenstraling en radiogolven waargenomen en geanalyseerd. Een unieke gebeurtenis waarbij 4000 astronomen van 900 instituten betrokken waren, ongeveer een derde van alle astronomen ter wereld.

DeCam Chili 2614 keer bekeken

De Kilonova zoals waargenomen door het DeCam instrument in Chili.

optisch 2613 keer bekeken

radiogolven 2613 keer bekeken

Idem in zichtbaar licht (door de Hubble ruimtetelescoop) en radiogolven. De helderheid van de merger was ongeveer magnitude 17, en  deze zou met grotere amateurtelescopen gezien kunnen zijn.

Image2 2614 keer bekeken

De afname van de intensiteit van de straling van de kilonova, zoals gezien door verschillende instrumenten verspreid over de Aarde. Tijdens de piek werd evenveel straling geproduceerd als 200 miljoen zonnen samen.

Observaties van die nagloed wezen uit dat, zoals al werd vermoed, door de samensmelting de zeldzamer zware elementen (zoals goud en uranium) werden gevormd. Naar schatting werd een hoeveelheid zware elementen gevormd ter grootte van 160 Aardmassa's, en alleen al aan goud en platina ongeveer twee keer het gewicht van de Aarde. Met deze ontdekking is het ook waarschijnlijk dat de vorming van zware elementen tijdens supernova's (ontploffende reuzensterren) alhoewel niet onmogelijk, waarschijnlijk onbetekenend is. Kijk eens naar je gouden sierraden, en realiseer je dan waar ze vandaan komen.

Image1 2615 keer bekeken

De zware elementen gevormd tijdens een 'merger' van neutronensterren zijn in deze tabel van het periodiek systeem der elementen geel gemerkt. Bron: Ligo/Virgo

Samensmeltingen van neutronensterren zijn extreem zeldzaam, in onze Melkweg met zijn 200 miljard sterren komt zo'n merger naar schatting eens in de 20.000 jaar voor.

Ook de oorsprong van de korte gammaflitsen is hiermee verklaard; Zoals al werd vermoed is een samensmelting van twee neutronensterren of die van een neutronenster met een zwart gat hiervoor verantwoordelijk. In de astronomische wereld zijn deze flitsen bekend als een kilonova.

Hiermee is ook aangetoond dat tot een nauwkeurigheid beter dan 3.10^-15 zwaartekrachtsgolven zich voortplanten met de lichtsnelheid in het vacuüm, weer een triomf voor de relativiteitstheorie.

Al met al een buitengewoon belangrijke ontdekking! Supervet zogezegd.

Een erg mooi filmpje over deze ontdekking is te zien bij The New York Times: KLIK

[317070]

1,7 seconden na de detectie door Ligo/Virgo zag de ruimtetelescoop Fermi een gammaflits.

 
Vanwaar het tijdsverschil?

[Michel Uphoff]

Het maximum van het 'chirp' signaal van de gravitatiegolven ontstaat op de energetische top van de samensmelting, maar aan de gammastraling liggen andere processen (die mogelijk wat later optreden) ten grondslag. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het gegeven dat de gamma fotonen in de merger waarschijnlijk enige tijd nodig hebben om zich door het fuserende materiaal heen te werken, of dat de jet van gammastraling even nodig heeft om zich op te bouwen. Denk bijvoorbeeld aan de oorzaak van het verschil in aankomsttijd van neutrino's en e.m. straling bij de bekende supernova 1987; de neutrino's ondervonden (net als gravitatiegolven) geen hinder van de materie waar ze doorheen moesten trekken, i.t.t. de fotonen die duidelijk later aankwamen. Maar zekerheid over de oorzaak is er dus nog niet.
 
Er zijn diverse theorieën die een tijdverschil tussen het ontstaan van een GW en een Grb voorspellen. De delta loopt uiteen van nul tot duizenden seconden, en zelfs meerdere jaren. Natuurlijk wordt het gemeten zeer geringe verschil onderwerp van uitgebreid theoretische beschouwingen. Maar zelfs als er geen eenduidige fysische verklaring voor gegeven kan worden, is 1,74 seconden op 130 miljoen jaar de meest precieze observatie van de snelheid van gravitatiegolven, vrijwel exact de lichtsnelheid. In bijgesloten paper (met name hoofdstuk 4 behandelt dit onderwerp) wordt de het verschil bepaald op 7.10^-16 tot 3.10^-15
 
Anders weergegeven:
Lichsnelheid: 299.792.458 m/s
Gravitatiegolven 299.792.458,0000002 tot 299.792.458,0000009 m/s
Als de gammaflits eerder was aangekomen dan de gravitatiegolf, dan zou het heel wat lastiger te verklaren zijn geweest.
 
Er lijkt mij (terwijl men in het paper stelt dat het te verwaarlozen is) toch een minieme dipersie plaats te hebben gevonden ondanks de zeer korte golflengte. Uit deze afbeelding valt op te maken dat er toch geringe verschillen zijn in de aankomsttijd van de straling gemeten op verschillende energieniveaus c.q. golflengten. Maar wellicht is daar een andere verklaring voor. Mooi is in de onderste afbeelding het 'chirp' signaal van de gravitatiegolf te zien dat bij ongeveer 400 Hz plots eindigt. Uit de data blijkt dat het signaal in werkelijkheid tot ongeveer 1000Hz opliep. Een ruwe schatting: Diameter neutronensterren 16 km, omtrek zeg eens 50 km, maal 1000 is minimaal 50.000 km/s omloopsnelheid.
 

Image1 2614 keer bekeken

Bron: The Astrophysical Journal (bijlage) KLIK voor grote weergave.
 
Bijlage:

Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger

(1.99 MiB) 201 keer gedownload

Het algemene artikel over deze ontdekking (deel 1):

Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger (1)

(1.39 MiB) 286 keer gedownload