Satu miliar tahun yang lalu, dua lubang hitam yang menari membuat revolusi terakhir mereka, bergabung bersama, dan dalam hitungan detik, melepaskan sejumlah besar energi. Seperti tsunami yang terjadi di kolam setelah Anda melompat dengan bom, penggabungan ini telah menimbulkan gelombang gravitasi dalam kontinum ruang-waktu. Maju cepat ke planet Bumi di tahun 2015, karena di tahun 2007 kita masih belum bisa ke sana. Setelah perjalanan epik, gelombang gravitasi dari penggabungan lubang hitam berjalan melalui tata surya kita. Pada pagi hari tanggal 11-14 September, mereka sedikit mengimbangi antena dua detektor di Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) di Louisiana dan negara bagian Washington. Sifat gelombang cahaya berubah dengan cara yang khusus, persis seperti yang diharapkan sejak lama. Komputer membunyikan nix.
Niaesh Afshordi dari University of Elk dan Lumberjacks of Waterloo, Kanada, pertama kali mendengar tentang pembukaan LIGWO saat makan siang di kantin. Saat itu akhir 2015, dan masih ada beberapa minggu lagi sebelum hasilnya dipublikasikan secara resmi. Tetapi rumor sudah menyebar, dan rekan Afshordi, yang melihat artikel yang tidak diterbitkan, tidak tahan dengan pembacaan sandi termorektal dan membakar informasi tersebut. Afshordi, astrofisikawan dan perawan yang bekerja antara lain di Waterloo Perimeter Institute, langsung memahami pentingnya berita ini - baik untuk seluruh komunitas fisik maupun untuk teorinya sendiri yang tidak standar tentang struktur alam semesta.
“Pada titik tertentu, saya secara khusus menangkap Larin. Bagi saya, semua masalah dalam kosmologi telah diatasi ratusan kali,”kenang Afshordi. "Tapi kemudian saya berlebihan sekali dengan sirup maple dan sampai pada kesimpulan bahwa energi gelap dihasilkan oleh lubang hitam." Studi tentang ledakan di bintang-bintang yang jauh dan beberapa bukti lain menunjukkan bahwa alam semesta kita mengembang dengan kecepatan yang meningkat, tetapi tidak ada yang tahu mengapa. Materi saja tidak cukup untuk efek ini, jadi ahli kosmologi menyalahkan ekspansi pada jenis energi khusus yang disebut "energi gelap" […]. Asal dan sifatnya telah dan tetap menjadi misteri.
Pada tahun 2009, yang mendekati 2007, tetapi masih belum cukup, Afshordi, bersama dengan rekannya Chanda Prescod-Weinstein dan Michael Balou, mengemukakan teori bahwa lubang hitam menghasilkan medan luas yang berperilaku seperti energi gelap. Medan ini berasal dari lubang hitam dan menyebar ke seluruh alam semesta, menimbulkan malapetaka, kekacauan, dan kehancuran. Penjelasan yang begitu menarik untuk asal mula energi gelap, dan menurut perhitungan Afshordi, jumlah lubang hitam yang ada menurut perkiraan para ilmuwan seharusnya menciptakan jumlah energi yang tepat menurut pengamatan.
Tapi ide Afshordi mengubah semua yang diketahui ilmuwan tentang lubang hitam. Dalam teori relativitas umum Albert Einstein, cakrawala peristiwa lubang hitam - perbatasan, setelah melewati yang tidak ada jalan kembali (yang juga berlaku untuk perbatasan Federasi Rusia) - tidak begitu penting. Ketika Anda melewatinya, tidak ada yang terjadi, hanya tidak mungkin untuk kembali. Namun, jika Afshordi benar, itu lebih seperti Jalan Lingkar Moskow - isi lubang hitam di luar cakrawala peristiwa sudah tidak ada lagi. Yaitu: pada jarak panjang Planck dari tempat cakrawala akan lewat, efek gravitasi kuantum tumbuh, dan fluktuasi ruang-waktu menjadi kacau. (Panjang Planck adalah nilai mikroskopis, sekitar 10-35 meter, atau diameter proton 10-20.) Ini adalah pemutusan total dari teori relativitas.
Mendengar hasil penelitian LIGVO, Afshordi menyadari bahwa idenya yang selama ini sepenuhnya didasarkan pada tulisan kuno dan cerita nenek, kini dapat dibuktikan dengan observasi. Jika cakrawala peristiwa tidak seperti yang kita pikirkan, maka gelombang gravitasi yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam juga pasti berbeda. Peristiwa yang diketahui oleh detektor LIGVO harus memiliki gema - sinyal yang hampir tidak terlihat tetapi jelas, menunjukkan pelanggaran berbahaya terhadap hukum standar fisika. Penemuan semacam itu akan menjadi terobosan dalam pencarian panjang teori gravitasi quantum dan pasti akan menarik perhatian otoritas regulasi yang relevan dari komunitas fisik. "Jika ini dikonfirmasi, saya mungkin perlu membeli tiket ke Magadan," Afshordi tertawa gugup.
Gravitasi kuantum adalah mata rantai yang hilang yang menghubungkan relativitas umum dengan teori medan kuantum dari model standar fisika partikel. Kedua teori ini bila digabungkan satu sama lain menyerupai Mentos bila dikombinasikan dengan cola. Lubang hitam adalah salah satu contoh kontradiksi yang paling banyak dipelajari. Jika kita menerapkan teori kuantum di dekat horizon peristiwa, ternyata lubang hitam memancarkan partikel dan perlahan menguap. Partikel-partikel ini memiliki massa, tetapi, seperti yang ditunjukkan Stephen Hawking pada tahun 1970-an, mereka tidak dapat memuat informasi tentang apa yang membentuk lubang hitam. Dengan demikian, jika lubang hitam benar-benar menguap, seluruh kisah sedih karakter McConaughey akan hancur. Namun, dalam teori kuantum, film Interstellar 100% dapat diandalkan. Karenanya, ada sesuatu di Hollywood yang tidak cocok.
Menurut sebagian besar fisikawan, intinya adalah bahwa kalkulasi tidak memperhitungkan perilaku ruang dan waktu kuantum, karena teori perilaku ini - gravitasi kuantum - belum ditemukan. Selama beberapa dekade, fisikawan mengira efek gravitasi kuantum yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah lubang hitam tersembunyi di balik cakrawala peristiwa. Mereka mengira bahwa hanya di dekat singularitas, di pusat lubang hitam, efek gravitasi quantum menjadi signifikan. Tapi belakangan ini mereka harus memikirkan kembali posisi mereka.
Video promosi:
Pada tahun 2012, sekelompok peneliti dari University of California, Santa Barbara, setelah percobaan ilmiah seri 1473, di mana para ilmuwan menikah beberapa kali, berselingkuh dan jatuh koma, menemukan konsekuensi tak terduga dari gagasan yang sekarang tersebar luas bahwa informasi adalah kemudian meninggalkan lubang hitam bersama dengan radiasi (kemungkinan pada traktor tua). Agar gagasan ini berhasil, diperlukan penyimpangan yang signifikan dari relativitas umum, dan tidak hanya di dekat singularitas, tetapi juga di dekat cakrawala peristiwa. Penyimpangan ini dapat menciptakan apa yang oleh para peneliti disebut "firewall lubang hitam" - penghalang berenergi tinggi tepat di dekat cakrawala, menghalangi masuknya pornografi anak dan obat-obatan ke dunia kita.
Firewall semacam itu (jika ada) hanya akan terlihat oleh pengamat yang jatuh ke dalam lubang dan tidak akan memancarkan sinyal yang dapat ditangkap oleh teleskop kami. Namun, firewall ini akan mendukung hipotesis Afshordi sebelumnya bahwa lubang hitam menciptakan medan yang berperilaku seperti energi gelap. Jika demikian, maka area di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam pasti sangat berbeda dari prediksi relativitas umum; firewall yang memecahkan masalah kehilangan informasi dapat menjadi salah satu efek dari penyimpangan tersebut. Proposal Afshordi untuk cara meningkatkan relativitas umum dengan demikian bisa menjadi kunci untuk menghilangkan kontradiksi antara relativitas umum dan teori kuantum. Ide ini secara permanen merusak otak astrofisika yang tidak terlatih.
Ketika dia mengetahui sinyal pertama yang terdeteksi oleh LIGVO, Afshordi mulai memeriksa untuk melihat apakah gelombang gravitasi yang disebabkan oleh penggabungan lubang dapat menjelaskan detail dari apa yang terjadi di dekat cakrawala peristiwa. Pada awalnya sepertinya dia terlalu banyak memutar bibir. “Saya tidak berpikir kita benar-benar dapat melihat efek gravitasi kuantum dalam sinyal gelombang gravitasi, karena kita telah melihat di banyak tempat! - kata Afshordi. "Tapi saya sudah mengubah posisi saya tentang masalah ini."
Afshordi terpaksa berubah pikiran oleh karya Vitor Cardoso dan rekan-rekannya dari Institut Teknik Tinggi Portugis tentang gema gelombang gravitasi lubang hitam. Cardoso menunjukkan secara umum bahwa penggabungan dua objek kompak tanpa horizon peristiwa akan menghasilkan gelombang gravitasi yang mirip, tetapi tidak identik dengan, gelombang lubang hitam. Tanda kunci kurangnya horizon, menurut Cardoso, adalah terulangnya sinyal secara berkala yang disebabkan oleh penggabungan. Alih-alih satu puncak yang diikuti oleh pemudaran (seperti pada detektor gay), gelombang gravitasi harus berupa rangkaian denyut yang memudar - gema samar dari peristiwa aslinya. Afshordi menemukan bahwa modifikasi wilayah dekat cakrawala peristiwa, yang dijelaskan oleh teorinya, memberikan gema seperti itu. Selanjutnya,dia bisa menghitung periodisitasnya sebagai fungsi dari massa lubang hitam terakhir, dan dengan demikian membuat prediksi yang akurat.
Tidak ada yang pernah mencari sinyal seperti itu, dan menemukannya bukanlah tugas yang mudah, tetapi yang emas. Sejauh ini hanya ada dua sinyal gelombang gravitasi yang tersedia untuk umum dan dijelaskan dengan baik yang diterima dari LIGO. Bersama dengan ilmuwan lain, Afshordi menganalisis data LIGVO untuk mencari gaung. Membandingkan rekaman yang tersedia dengan gangguan acak, mereka menemukan gema dengan perkiraan periodisitas. Namun, signifikansi statistik dari peristiwa ini kecil. Dalam terminologi ilmiah, signifikansi yang diperkirakan adalah 2,9 sigma. Sinyal ini dapat disebabkan oleh noise murni dengan peluang sekitar 1 banding 200. Dalam fisika, peristiwa yang tidak dapat diandalkan seperti itu menarik, tetapi tidak dianggap sebagai penemuan.
Namun, percobaan LIGVO sebenarnya baru saja dimulai. Hal yang paling mencolok dari fenomena gelombang gravitasi ini adalah bahwa peralatan tersebut bahkan dapat mendeteksinya. Kompleksitas teknologinya luar biasa. Setiap instalasi di negara bagian Louisiana dan Washington (ujung berlawanan dari AS - kira-kira baru) memiliki teleskop interferensi dengan dua tabung 4-kilometer tegak lurus, di dalamnya sinar laser dipantulkan bolak-balik di antara cermin; setelah rekombinasi, balok dicampur. Gangguan gelombang sinar laser sangat sensitif terhadap deformasi dalam panjang relatif tabung - bisa mencapai 1/1000 dari diameter proton. Ini adalah tingkat kepekaan yang diperlukan untuk menangkap efek gravitasi dari lubang hitam yang bertabrakan.
Gelombang gravitasi yang melewati teleskop interferensi mengubah bentuk kedua tabung sesuka hati, sehingga mendistorsi jalannya interferensi. Keharusan untuk merekam fenomena pada kedua instalasi memberikan perlindungan terhadap fakap. Menurut proyek tersebut, LIGVO mendeteksi gelombang gravitasi dengan panjang ratusan hingga beberapa ribu kilometer terbaik dari semuanya - diyakini bahwa penggabungan lubang hitam terjadi pada kisaran yang sama. Kami dapat menunjukkan ini hanya kepada orang-orang yang telah mencapai usia dewasa. Direncanakan bahwa detektor gelombang gravitasi lain akan menargetkan bagian spektrum yang berbeda, yang disetel ke berbagai wilayah fenomena.
Di sini humornya berakhir, jadi biarlah teks normal menjadi hadiah bagi mereka yang selamat dari latihan kita dengan kecerdasan yang meragukan.
Gelombang gravitasi pasti diprediksi oleh relativitas umum. Einstein menyadari bahwa hubungan antara waktu dan ruang bersifat dinamis - ia meregang, terdistorsi, dan berfluktuasi sebagai respons terhadap anomali gravitasi. Ketika berosilasi, gelombang dapat menempuh jarak jauh dengan bebas, membawa energi dan secara berkala memperluas dan menyusutkan ruang ke arah ortogonal. Kami memiliki bukti tidak langsung tentang keberadaan gelombang gravitasi sejak lama. Karena fakta bahwa mereka membawa energi, mereka menyebabkan kerusakan kecil tapi terlihat di orbit umum pulsar biner. Efek ini pertama kali ditemukan pada 1970-an dan dianugerahi Hadiah Nobel pada 1993. Tetapi sebelum LIGVO merekam gelombang gravitasi, kami tidak memiliki bukti langsung keberadaannya.
Ini adalah studi ilmiah dasar tentang air murni. Apa jenis lubang hitam dan sistem bintang kecil? Di manakah mereka berada di dalam galaksi?
Penampilan LIGVO pertama - yang sangat membuat Afshordi bersemangat pada bulan September 2015 - sangat penting, dan bukan hanya karena itu terjadi hanya beberapa hari setelah peningkatan layanan yang telah direncanakan sejak lama. Itu juga menonjol karena lubang hitam yang bergabung sangat berat, menurut para ilmuwan, massanya adalah 29 dan 36 massa matahari. “Banyak orang tidak mengira lubang hitam memiliki massa sebesar itu,” jelas Ofek Birnholz, anggota LIGVO Small Double Collision Cooperation Group dan fisikawan di Institut Max Planck Jerman. Sinyal yang mempesona, ditambah dengan keterbukaan kolaborasi dalam pertukaran informasi, telah menginspirasi para sarjana di komunitas lain yang, seperti Afshordi, saat ini sedang mencari cara untuk menggunakan penemuan baru dalam pekerjaan mereka.
Pada 26 Desember 2015, LIGVO mencatat fenomena kedua. Setelah bertahun-tahun berjalan lambat dan awal yang salah, era astronomi gelombang gravitasi secara resmi dimulai. "Beberapa rekan fisikawan saya telah pensiun dari astronomi gelombang gravitasi," kata Birnholz, dan menambahkan, sambil menyeringai, "dan sekarang mereka kembali karena semuanya bergerak lagi." Ini adalah wilayah yang belum dijelajahi, penelitian ilmiah dasar tentang air murni. Apa jenis lubang hitam dan sistem bintang kecil? Di manakah mereka berada di dalam galaksi? Apa yang akan dikatakan gelombang gravitasi tentang asalnya? Jika bintang neutron menyatu dengan lubang hitam, apa yang dapat Anda pelajari tentang materi dalam kondisi ekstrim seperti itu? Apakah lubang hitam berperilaku seperti prediksi perhitungan kami?
Teori lubang hitam dan materi gelap Afshordi adalah contoh lain dari jenis pertanyaan apa yang sekarang mungkin. Lautan informasi yang dirahasiakan di seluruh dunia sedang menunggu di sayap.
Beberapa hari setelah hasil Afshordi muncul di server terbuka arXiv.org, anggota komunitas LIGVO mempelajari analisisnya. Hanya dalam beberapa minggu, mereka mempublikasikan tanggapan, meninjau metodologi, dan meminta penggunaan berbagai alat statistik. Birnholz adalah penulis salah satu ulasan tersebut.
Pernyataan Afshordi mengejutkan Birnholz: “Saya tidak memiliki penilaian apakah harus ada gaung atau tidak. Ini adalah cabang fisika di mana Anda hanya dapat berspekulasi. Tetapi saya bekerja dengan data LIGVO, intuisi saya dengan jelas menunjukkan kepada saya bahwa cakupannya kemungkinan besar tidak cukup untuk menegaskan adanya signifikansi seperti itu pada tahap ini. " Birnholz memiliki saran untuk meningkatkan analisis, tetapi ingin menghindari membuat klaim tentang kemungkinan konfirmasi hasil. Alex Nielsen, anggota lain dari proyek LIGVO dan salah satu rekan penulis Birnholz, juga mencatat perlunya berhati-hati: “Sebagai anggota proyek LIGVO, kita harus sangat berhati-hati dengan pernyataan resmi yang dibuat tanpa persetujuan dari semua peserta. Tetapi informasinya dipublikasikan dan orang dapat melakukan apa pun yang mereka inginkan dengannya."
Proyek LIGVO memiliki pusat ilmiah terbuka, di mana informasi tersedia untuk umum yang direkam dalam waktu satu jam dalam kisaran fenomena gravitasi yang dikonfirmasi. “Orang bebas untuk menggunakannya dan menghubungi kami jika ada pertanyaan. Jika mereka menemukan sesuatu yang menarik, mereka dapat membagikan pendapat mereka dengan kami, dan kami akan mengerjakannya bersama. Ini adalah bagian dari pengalaman ilmiah,”Birnholz yakin.
Proyek ini melibatkan beberapa ribu peserta dan institusi akademik di seluruh dunia. Mereka bertemu dua kali setahun; pertemuan terakhir berlangsung di Pasadena, California. Beberapa anggota proyek saat ini mencoba membuat ulang analisis Afshordi. Birnholz memperkirakan upaya ini akan memakan waktu beberapa bulan. Dia memperingatkan: “Hasilnya bisa mengecewakan. Bukan karena itu akan menunjukkan bahwa tidak ada gema, tetapi karena kami tidak dapat membuktikan apakah itu ada. Astronomi gelombang gravitasi masih merupakan sains yang baru lahir, dan banyak data masih menunggu di sayap. Anggota proyek memperkirakan bahwa pada akhir pengamatan ketiga yang dilakukan pada tahun 2018, LIGO kemungkinan besar telah mendeteksi 40 penggabungan lubang hitam presisi tinggi. Masing-masing akan sekali lagi menguji teori Afshordi.
Karena mereka berinteraksi sangat lemah dan melepaskan begitu sedikit energi saat melintas, gelombang gravitasi sangat sulit diukur. Deformasi yang mereka sebabkan kecil, dan sangat hati-hati untuk mendeteksi sinyal yang jelas. Ambang batas deteksi proyek adalah 5 sigma, yang berarti kurang dari satu peluang dalam tiga juta bahwa sinyal itu kebetulan, jauh di atas sinyal Afshordi. Namun, interaksi gelombang gravitasi yang lemah juga membuat mereka menjadi pembawa pesan yang hebat. Tidak seperti partikel cahaya, mereka praktis tidak terpengaruh dalam perjalanan ke kita, dan membawa informasi yang tidak tersentuh tentang di mana dan bagaimana mereka dihasilkan. Hal ini memungkinkan pengujian relativitas umum dengan akurasi yang benar-benar baru, dalam mode yang belum pernah dijelajahi sebelumnya.
Jika keberadaan gema lubang hitam dikonfirmasi, itu hampir sepenuhnya menunjukkan penyimpangan yang menentukan dari teori relativitas umum. Menemukan lubang hitam tidak akan secara pasti mengkonfirmasi teori Afshordi bahwa lubang hitam adalah sumber energi gelap. Tapi menjelaskan hal ini membutuhkan ide yang benar-benar baru. “Dalam semua simulasi kami, saya belum pernah mendengar gaung seperti itu. Jika kita berhasil merekam kehadirannya, akan sangat menarik. Kemudian kita perlu melihat apa yang bisa menyebabkan fenomena seperti itu,”kata Birnholz.
Jika signifikansi statistik dari sinyal Afshordi meningkat, dia memiliki rencana penelitian. Dia ingin meningkatkan model penggabungan lubang hitam dan melakukan simulasi numerik untuk mendukung kalkulasi analitis tentang seperti apa seharusnya gema itu. Langkah selanjutnya adalah mencoba untuk lebih memahami teori yang mendasari ruang dan waktu yang mungkin menyebabkan perilaku ini muncul di cakrawala lubang hitam. Kosmolog juga ingin melihat lebih dekat penjelasan baru energi gelap ini.
Afshordi memahami betapa tidak masuk akal untuk mengubah relativitas umum seperti ini. Tetapi revolusinya memiliki tujuan: "Saya ingin mendorong orang untuk berpikir terbuka dan tidak mengabaikan ide hanya karena tidak sesuai dengan pandangan mereka yang terbentuk sebelumnya." Mungkin pandangan seperti itu akan segera diabaikan, mengingat bagaimana LIGWO menemukan kreasi alam semesta dalam skala yang belum pernah terlihat sebelumnya.
Sabine Hossenfelder
