Sejak dimulainya 13,8 miliar tahun lalu, alam semesta terus mengembang, menyebarkan ratusan miliar galaksi dan bintang seperti kismis dalam adonan yang mengembang dengan cepat. Para astronom telah mengarahkan teleskop ke bintang-bintang tertentu dan sumber kosmik lain untuk mengukur jarak mereka dari Bumi dan laju pelepasannya - dua parameter yang diperlukan untuk menghitung konstanta Hubble, sebuah unit ukuran yang menggambarkan laju perluasan alam semesta.
Tetapi hingga saat ini, upaya paling akurat untuk memperkirakan konstanta Hubble memberikan nilai yang sangat tersebar dan tidak memungkinkan untuk membuat kesimpulan akhir tentang seberapa cepat alam semesta berkembang. Informasi ini, menurut para ilmuwan, harus menjelaskan asal mula alam semesta dan nasibnya: akankah kosmos mengembang tanpa batas atau akankah suatu hari menyusut?
Jadi, para ilmuwan dari Institut Teknologi Massachusetts dan Universitas Harvard telah mengusulkan cara yang lebih akurat dan independen untuk mengukur konstanta Hubble menggunakan gelombang gravitasi yang dipancarkan oleh sistem yang relatif jarang: sistem biner bintang neutron lubang hitam, pasangan energik yang berputar dalam spiral oleh lubang hitam dan bintang neutron. Saat benda-benda ini bergerak dalam tarian, mereka menciptakan gelombang bergetar ruang-waktu dan kilatan cahaya saat tabrakan terakhir terjadi.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan 12 Juli di Physical Review Letters, para ilmuwan melaporkan bahwa ledakan cahaya akan memungkinkan para ilmuwan untuk memperkirakan kecepatan sistem, yaitu seberapa cepat sistem itu bergerak menjauh dari Bumi. Gelombang gravitasi yang dipancarkan, jika ditangkap di Bumi, harus memberikan pengukuran jarak yang independen dan akurat ke sistem. Terlepas dari kenyataan bahwa sistem biner lubang hitam dan bintang neutron sangat langka, para ilmuwan memperkirakan bahwa penemuan beberapa di antaranya akan membuat perkiraan paling akurat dari konstanta Hubble dan laju ekspansi alam semesta hingga saat ini.
“Sistem biner lubang hitam dan bintang neutron adalah sistem yang sangat kompleks yang hanya sedikit kita ketahui,” kata Salvatore Vitale, profesor fisika di MIT dan penulis utama makalah tersebut. "Jika kami menemukannya, hadiahnya adalah terobosan radikal kami dalam memahami alam semesta."
Vitale disusun bersama Hsin-Yu Chen dari Harvard.
Video promosi:
Konstanta yang bersaing
Dua pengukuran independen dari konstanta Hubble baru-baru ini diambil, satu menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA dan yang lainnya menggunakan satelit Planck Badan Antariksa Eropa. Pengukuran Hubble didasarkan pada pengamatan bintang yang dikenal sebagai variabel Cepheid, serta pengamatan supernova. Kedua objek ini dianggap sebagai "lilin standar" untuk prediktabilitas kecerahan, yang digunakan para ilmuwan untuk memperkirakan jarak ke bintang dan kecepatannya.
Jenis penilaian lain didasarkan pada pengamatan fluktuasi gelombang mikro kosmik latar - radiasi elektromagnetik yang tersisa setelah Big Bang, ketika alam semesta masih dalam tahap pertumbuhan. Meskipun pengamatan kedua probe sangat akurat, perkiraan mereka tentang konstanta Hubble sangat berbeda.
“Dan di sinilah LIGO berperan,” kata Vitale.
LIGO, atau observatorium gelombang gravitasi interferometri laser, mencari gelombang gravitasi - riak pada struktur ruang-waktu, yang lahir sebagai akibat dari bencana alam astrofisika.
“Gelombang gravitasi menyediakan cara yang sangat sederhana dan mudah untuk mengukur jarak ke sumbernya,” kata Vitale. "Apa yang kami temukan dengan LIGO adalah jejak langsung dari jarak ke sumber, tanpa analisis lebih lanjut."
Pada 2017, para ilmuwan mendapat kesempatan pertama mereka untuk memperkirakan konstanta Hubble dari sumber gelombang gravitasi ketika LIGO dan mitranya dari Italia Virgo menemukan sepasang bintang neutron yang bertabrakan untuk pertama kalinya dalam sejarah. Tabrakan ini melepaskan sejumlah besar gelombang gravitasi, yang diukur oleh para ilmuwan untuk menentukan jarak dari Bumi ke sistem. Penggabungan juga memancarkan semburan cahaya, yang dapat dianalisis para astronom dengan teleskop darat dan angkasa untuk menentukan kecepatan sistem.
Setelah mendapatkan kedua pengukuran tersebut, para ilmuwan menghitung nilai baru untuk konstanta Hubble. Namun, perkiraan tersebut datang dengan ketidakpastian yang relatif besar yaitu 14%, jauh lebih tidak pasti daripada nilai yang dihitung menggunakan Hubble dan Planck.
Vitale mengatakan banyak ketidakpastian yang berasal dari fakta bahwa sulit menafsirkan jarak dari sistem biner ke Bumi menggunakan gelombang gravitasi yang dibuat oleh sistem itu.
"Kami mengukur jarak dengan melihat seberapa 'keras' gelombang gravitasi, yaitu, seberapa bersih data kami tentangnya," kata Vitale. “Jika semuanya jelas, Anda dapat melihat bahwa suaranya keras dan menentukan jaraknya. Tapi ini hanya sebagian yang benar untuk sistem biner."
Faktanya adalah bahwa sistem ini, yang menghasilkan piringan energi yang berputar-putar saat tarian dua bintang neutron berkembang, memancarkan gelombang gravitasi secara tidak merata. Sebagian besar gelombang gravitasi ditembakkan dari bagian tengah cakram, sementara lebih sedikit lagi yang ditembakkan dari tepi. Jika para ilmuwan mendeteksi sinyal gelombang gravitasi yang "keras", ini mungkin menunjukkan salah satu dari dua skenario: gelombang yang terdeteksi lahir di tepi sistem yang sangat dekat dengan Bumi, atau gelombang datang dari pusat sistem yang jauh lebih jauh.
“Dalam kasus sistem bintang biner, sangat sulit untuk membedakan antara dua situasi ini,” kata Vitale.
Gelombang baru
Pada tahun 2014, bahkan sebelum LIGO mendeteksi gelombang gravitasi pertama, Vitale dan rekan-rekannya mengamati bahwa sistem biner lubang hitam dan bintang neutron dapat memberikan pengukuran jarak yang lebih akurat daripada bintang neutron biner. Tim mempelajari seberapa akurat rotasi lubang hitam dapat diukur, asalkan objek ini berputar pada porosnya, seperti Bumi, hanya lebih cepat.
Para peneliti telah memodelkan berbagai sistem lubang hitam, termasuk sistem bintang neutron lubang hitam dan sistem bintang neutron biner. Sepanjang jalan, ditemukan bahwa jarak ke lubang hitam - sistem bintang neutron dapat ditentukan lebih akurat daripada ke bintang neutron. Vitale mengatakan ini disebabkan oleh perputaran lubang hitam di sekitar bintang neutron, karena membantu untuk menentukan dengan lebih baik dari mana gelombang gravitasi berasal dalam sistem.
"Karena pengukuran jarak yang lebih akurat, saya pikir sistem bintang neutron lubang hitam biner mungkin menjadi titik referensi yang lebih baik untuk mengukur konstanta Hubble," kata Vitale. "Sejak itu, banyak yang telah terjadi dengan LIGO dan gelombang gravitasi ditemukan, jadi semuanya memudar menjadi latar belakang."
Vitale baru-baru ini kembali ke pengamatan aslinya.
“Hingga saat ini, orang lebih suka bintang neutron biner sebagai cara untuk mengukur konstanta Hubble menggunakan gelombang gravitasi,” kata Vitale. “Kami telah menunjukkan bahwa ada jenis lain dari sumber gelombang gravitasi yang belum sepenuhnya dieksploitasi sebelumnya: lubang hitam dan bintang neutron menari-nari. LIGO akan mulai mengumpulkan data lagi pada Januari 2019 dan akan menjadi jauh lebih sensitif, yang berarti kita dapat melihat objek yang lebih jauh. Oleh karena itu, LIGO akan dapat melihat setidaknya satu sistem lubang hitam dan bintang neutron, atau lebih baik semua dua puluh lima, dan ini akan membantu menyelesaikan ketegangan yang ada dalam mengukur konstanta Hubble, mudah-mudahan, dalam beberapa tahun mendatang.
Ilya Khel
