Merging black holes
Next step towards a gravitational-wave observatory in space
25 October 2016
Today, ESA has invited European scientists to propose concepts for the third large mission in its science programme, to study the gravitational Universe.
A spaceborne observatory of gravitational waves – ripples in the fabric of spacetime created by accelerating massive objects – was identified in 2013 as the goal for the third large mission (L3) in ESA’s Cosmic Vision plan.
A Gravitational Observatory Advisory Team was appointed in 2014, composed of independent experts. The team completed its final report earlier this year, further recommending ESA to pursue the mission having verified the feasibility of a multisatellite design with free-falling test masses linked over millions of kilometres by lasers.
Now, following the first detection of the elusive waves with ground-based experiments and the successful performance of ESA’s LISA Pathfinder mission, which demonstrated some of the key technologies needed to detect gravitational waves from space, the agency is inviting the scientific community to submit proposals for the first space mission to observe gravitational waves.
“Gravitational waves promise to open a new window for astronomy, revealing powerful phenomena across the Universe that are not accessible via observations of cosmic light,” says Alvaro Gimenez, ESA’s Director of Science.
Predicted a century ago by Albert Einstein’s general theory of relativity, gravitational waves remained elusive until the first direct detection by the ground-based Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and Virgo collaborations, made in September 2015 and announced earlier this year.
The signal originated from the coalescence of two black holes, each with some 30 times the mass of the Sun and about 1.3 billion light-years away. A second detection was made in December 2015 and announced in June, and revealed gravitational waves from another black hole merger, this time involving smaller objects with masses around 7 and 14 solar masses.
LISA Pathfinder performance
Meanwhile, the LISA Pathfinder mission was launched in December 2015 and started its scientific operations in March this year, testing some of the key technologies that can be used to build a space observatory of gravitational waves.
Data collected during its first two months showed that it is indeed possible to eliminate external disturbances on test masses placed in freefall at the level of precision required to measure passing gravitational waves disturbing their motion.
While ground-based detectors are sensitive to gravitational waves with frequencies of around 100 Hz – or a hundred oscillation cycles per second – an observatory in space will be able to detect lower-frequency waves, from 1 Hz down to 0.1 mHz. Gravitational waves with different frequencies carry information about different events in the cosmos, much like astronomical observations in visible light are sensitive to stars in the main stages of their lives while X-ray observations can reveal the early phases of stellar life or the remnants of their demise. In particular, low-frequency gravitational waves are linked to even more exotic cosmic objects than their higher-frequency counterparts: supermassive black holes, with masses of millions to billions of times that of the Sun, that sit at the centre of massive galaxies. The waves are released when two such black holes are coalescing during a merger of galaxies, or when a smaller compact object, like a neutron star or a stellar-mass black hole, spirals towards a supermassive black hole.
Observing the oscillations in the fabric of spacetime produced by these powerful events will provide an opportunity to study how galaxies have formed and evolved over the lifetime of the Universe, and to test Einstein’s general relativity in its strong regime.
Concepts for ESA’s L3 mission will have to address the exploration of the Universe with low-frequency gravitational waves, complementing the observations performed on the ground to fully exploit the new field of gravitational astronomy. The planned launch date for the mission is 2034.
Lessons learned from LISA Pathfinder will be crucial to developing this mission, but much new technology will also be needed to extend the single-satellite design to multiple satellites. For example, lasers much more powerful than those used on LISA Pathfinder, as well as highly stable telescopes, will be necessary to link the freely falling masses over millions of kilometres.
Large missions in ESA’s Science Programme are ESA-led, but also allow for international collaboration. The first large-class mission is Juice, the JUpiter ICy moons Explorer, planned for launch in 2022, and the second is Athena, the Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics, an X-ray observatory to investigate the hot and energetic Universe, with a planned launch date in 2028.
Letters of intent for ESA’s new gravitational-wave space observatory must be submitted by 15 November, and the deadline for the full proposal is 16 January 2017. The selection is expected to take place in the first half of 2017, with a preliminary internal study phase planned for later in the year.
ESAObserving the oscillations in the fabric of spacetime produced by these powerful events will provide an opportunity to study how galaxies have formed and evolved over the lifetime of the Universe, and to test Einstein’s general relativity in its strong regime.
Concepts for ESA’s L3 mission will have to address the exploration of the Universe with low-frequency gravitational waves, complementing the observations performed on the ground to fully exploit the new field of gravitational astronomy. The planned launch date for the mission is 2034.
Lessons learned from LISA Pathfinder will be crucial to developing this mission, but much new technology will also be needed to extend the single-satellite design to multiple satellites. For example, lasers much more powerful than those used on LISA Pathfinder, as well as highly stable telescopes, will be necessary to link the freely falling masses over millions of kilometres.
Large missions in ESA’s Science Programme are ESA-led, but also allow for international collaboration. The first large-class mission is Juice, the JUpiter ICy moons Explorer, planned for launch in 2022, and the second is Athena, the Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics, an X-ray observatory to investigate the hot and energetic Universe, with a planned launch date in 2028.
Letters of intent for ESA’s new gravitational-wave space observatory must be submitted by 15 November, and the deadline for the full proposal is 16 January 2017. The selection is expected to take place in the first half of 2017, with a preliminary internal study phase planned for later in the year.
More information
http://www.cosmos.esa.int/web/2016-l3-mission-call
For further information, please contact:
Luigi Colangeli
Head of the Coordination Office for the Scientific Programme
European Space Agency
Email: luigi.colangeli@esa.int
Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int
VERSIÓN ES ESPAÑOL :
Entretanto, en diciembre de 2015 se lanzó la misión LISA Pathfinder, que comenzó sus operaciones científicas en marzo de este año. Su objetivo era probar algunas de las tecnologías clave que podrían utilizarse para construir un observatorio espacial de ondas gravitacionales.
Los datos recopilados en sus dos primeros meses de funcionamiento demostraban que realmente es posible eliminar las perturbaciones externas en las masas de prueba puestas en caída libre con el nivel de precisión necesario para medir el efecto que las ondas gravitacionales provocan en su movimiento.
Aunque los detectores terrestres son sensibles a ondas gravitacionales con frecuencias de unos 100 Hz (cien ciclos de oscilación por segundo), un observatorio espacial sería capaz de detectar ondas de baja frecuencia, de 1 Hz a 0,1 mHz. Las ondas gravitacionales con distintas frecuencias transportan información sobre diversos acontecimientos cósmicos, igual que las observaciones astronómicas en luz visible son sensibles a las estrellas en las principales fases de su vida, mientras que las observaciones en rayos X pueden desvelar las fases tempranas de vida estelar o los vestigios de su desaparición.
En particular, las ondas gravitacionales de baja frecuencia se asocian a objetos cósmicos aún más exóticos que las de alta frecuencia: agujeros negros supermasivos, con masas millones e incluso miles de millones de veces más grandes que el Sol y situadas en el centro de galaxias masivas. Las ondas se producen cuando dos de estos agujeros negros confluyen durante una fusión de galaxias, o cuando un objeto compacto menor, como una estrella de neutrones o un agujero negro de masa estelar, gira hacia un agujero negro supermasivo.
Observar las oscilaciones en el tejido del espacio-tiempo producidas por estos potentes eventos permitirá estudiar cómo se formaron las galaxias y cuál fue su evolución en la historia del Universo, así como probar la relatividad general de Einstein en el régimen de campo fuerte.
Los conceptos para la misión L3 de la ESA deberán centrarse en la exploración del Universo con ondas gravitacionales de baja frecuencia, complementando las observaciones efectuadas en la Tierra para explotar plenamente este nuevo campo de la astronomía gravitacional. El lanzamiento de la misión está previsto para 2034.
Las lecciones aprendidas por LISA Pathfinder serán clave a la hora de desarrollar esta misión, aunque también se necesitará mucha tecnología nueva para ampliar el diseño de uno a múltiples satélites. Por ejemplo, harán falta láseres mucho más potentes que los utilizados en LISA Pathfinder, así como telescopios de alta estabilidad, para vincular las masas en caída libre a lo largo de millones de kilómetros.
Las grandes misiones del Programa científico de la ESA están dirigidas por la propia agencia, pero admiten colaboración internacional. La primera de estas misiones es Juice, el Explorador de las Lunas de Hielo de Júpiter (JUpiter ICy moons Explorer), que se lanzará en 2022. La segunda es el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), un observatorio de rayos X que investigará el Universo más caliente y energético, cuyo lanzamiento está previsto para 2028.
Las cartas de intenciones para el nuevo observatorio espacial de ondas gravitacionales de la ESA deben enviarse antes del 15 de noviembre, mientras que la fecha límite para las propuestas completas es el 16 de enero de 2017. Está previsto que la selección se realice en el primer semestre de 2017, con una fase preliminar de estudio interno ese mismo año.
http://www.cosmos.esa.int/web/2016-l3-mission-call
For further information, please contact:
Luigi Colangeli
Head of the Coordination Office for the Scientific Programme
European Space Agency
Email: luigi.colangeli@esa.int
Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int
VERSIÓN ES ESPAÑOL :
Agujeros negros fusionándose
El siguiente paso hacia un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio
26 octubre 2016 Ayer, 25 de octubre, la ESA invitó a científicos europeos a proponer conceptos para la tercera gran misión de su programa científico: el estudio del universo gravitacional.
La creación de un observatorio espacial de ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido espacio-temporal creadas por la aceleración de objetos masivos— fue definida en 2013 como el objetivo para la tercera gran misión (L3) del plan Visión Cósmica de la ESA.
En 2014 se nombró al Equipo Consultivo del Observatorio Gravitacional, compuesto por expertos independientes. Este equipo completó su informe final a principios de este año, recomendando a la ESA que continuara su misión tras verificar la viabilidad de un diseño multisatelital con masas de prueba en caída libre vinculadas a través de millones de kilómetros mediante láseres.
Ahora, tras la primera detección de estas huidizas ondas con experimentos en la Tierra y visto el éxito de la misión LISA Pathfinder de la ESA, que demostró algunas de las tecnologías clave necesarias para detectar ondas gravitacionales desde el espacio, la agencia invita a la comunidad científica a enviar sus propuestas para la primera misión espacial de observación de este tipo de ondas.
“Las ondas gravitacionales prometen abrir una nueva ventana a la astronomía, revelando potentes fenómenos a través del Universo que no podemos detectar mediante observaciones de luz cósmica”, explica Álvaro Giménez, director de ciencia de la ESA.
Predichas hace un siglo por la Teoría general de la relatividad de Albert Einstein, las ondas gravitacionales se resistían hasta que el Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias (LIGO) y la Colaboración Virgo las detectaron en septiembre de 2015, anunciando su confirmación a principios de este año.
La señal procedía de la confluencia de dos agujeros negros, cada uno con una masa 30 veces mayor que la del Sol y a unos 1.300 millones de años luz de distancia. En diciembre de 2015 se produjo una segunda detección, que se hizo pública en junio y que revelaba las ondas gravitacionales de otra fusión de agujeros negros, que esta vez implicaba objetos menores, con masas unas 7 y 14 veces mayores que nuestra estrella.
La creación de un observatorio espacial de ondas gravitacionales —ondulaciones en el tejido espacio-temporal creadas por la aceleración de objetos masivos— fue definida en 2013 como el objetivo para la tercera gran misión (L3) del plan Visión Cósmica de la ESA.
En 2014 se nombró al Equipo Consultivo del Observatorio Gravitacional, compuesto por expertos independientes. Este equipo completó su informe final a principios de este año, recomendando a la ESA que continuara su misión tras verificar la viabilidad de un diseño multisatelital con masas de prueba en caída libre vinculadas a través de millones de kilómetros mediante láseres.
Ahora, tras la primera detección de estas huidizas ondas con experimentos en la Tierra y visto el éxito de la misión LISA Pathfinder de la ESA, que demostró algunas de las tecnologías clave necesarias para detectar ondas gravitacionales desde el espacio, la agencia invita a la comunidad científica a enviar sus propuestas para la primera misión espacial de observación de este tipo de ondas.
“Las ondas gravitacionales prometen abrir una nueva ventana a la astronomía, revelando potentes fenómenos a través del Universo que no podemos detectar mediante observaciones de luz cósmica”, explica Álvaro Giménez, director de ciencia de la ESA.
Predichas hace un siglo por la Teoría general de la relatividad de Albert Einstein, las ondas gravitacionales se resistían hasta que el Observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias (LIGO) y la Colaboración Virgo las detectaron en septiembre de 2015, anunciando su confirmación a principios de este año.
La señal procedía de la confluencia de dos agujeros negros, cada uno con una masa 30 veces mayor que la del Sol y a unos 1.300 millones de años luz de distancia. En diciembre de 2015 se produjo una segunda detección, que se hizo pública en junio y que revelaba las ondas gravitacionales de otra fusión de agujeros negros, que esta vez implicaba objetos menores, con masas unas 7 y 14 veces mayores que nuestra estrella.
Resultados de LISA Pathfinder
Entretanto, en diciembre de 2015 se lanzó la misión LISA Pathfinder, que comenzó sus operaciones científicas en marzo de este año. Su objetivo era probar algunas de las tecnologías clave que podrían utilizarse para construir un observatorio espacial de ondas gravitacionales.
Los datos recopilados en sus dos primeros meses de funcionamiento demostraban que realmente es posible eliminar las perturbaciones externas en las masas de prueba puestas en caída libre con el nivel de precisión necesario para medir el efecto que las ondas gravitacionales provocan en su movimiento.
Aunque los detectores terrestres son sensibles a ondas gravitacionales con frecuencias de unos 100 Hz (cien ciclos de oscilación por segundo), un observatorio espacial sería capaz de detectar ondas de baja frecuencia, de 1 Hz a 0,1 mHz. Las ondas gravitacionales con distintas frecuencias transportan información sobre diversos acontecimientos cósmicos, igual que las observaciones astronómicas en luz visible son sensibles a las estrellas en las principales fases de su vida, mientras que las observaciones en rayos X pueden desvelar las fases tempranas de vida estelar o los vestigios de su desaparición.
En particular, las ondas gravitacionales de baja frecuencia se asocian a objetos cósmicos aún más exóticos que las de alta frecuencia: agujeros negros supermasivos, con masas millones e incluso miles de millones de veces más grandes que el Sol y situadas en el centro de galaxias masivas. Las ondas se producen cuando dos de estos agujeros negros confluyen durante una fusión de galaxias, o cuando un objeto compacto menor, como una estrella de neutrones o un agujero negro de masa estelar, gira hacia un agujero negro supermasivo.
Observar las oscilaciones en el tejido del espacio-tiempo producidas por estos potentes eventos permitirá estudiar cómo se formaron las galaxias y cuál fue su evolución en la historia del Universo, así como probar la relatividad general de Einstein en el régimen de campo fuerte.
Los conceptos para la misión L3 de la ESA deberán centrarse en la exploración del Universo con ondas gravitacionales de baja frecuencia, complementando las observaciones efectuadas en la Tierra para explotar plenamente este nuevo campo de la astronomía gravitacional. El lanzamiento de la misión está previsto para 2034.
Las lecciones aprendidas por LISA Pathfinder serán clave a la hora de desarrollar esta misión, aunque también se necesitará mucha tecnología nueva para ampliar el diseño de uno a múltiples satélites. Por ejemplo, harán falta láseres mucho más potentes que los utilizados en LISA Pathfinder, así como telescopios de alta estabilidad, para vincular las masas en caída libre a lo largo de millones de kilómetros.
Las grandes misiones del Programa científico de la ESA están dirigidas por la propia agencia, pero admiten colaboración internacional. La primera de estas misiones es Juice, el Explorador de las Lunas de Hielo de Júpiter (JUpiter ICy moons Explorer), que se lanzará en 2022. La segunda es el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía Athena (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics), un observatorio de rayos X que investigará el Universo más caliente y energético, cuyo lanzamiento está previsto para 2028.
Las cartas de intenciones para el nuevo observatorio espacial de ondas gravitacionales de la ESA deben enviarse antes del 15 de noviembre, mientras que la fecha límite para las propuestas completas es el 16 de enero de 2017. Está previsto que la selección se realice en el primer semestre de 2017, con una fase preliminar de estudio interno ese mismo año.
Más información
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Luigi Colangeli
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Correo electrónico: luigi.colangeli@esa.int
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Teléfono: +31 71 565 6799
Móvil: +31 61 594 3 954
Correo electrónico: markus.bauer@esa.int
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Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui
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