Osilasi dalam ruang-waktu ditemukan satu abad setelah diprediksi oleh Einstein. Era baru dalam astronomi dimulai.
Ilmuwan mampu mendeteksi fluktuasi ruangwaktu yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam. Ini terjadi seratus tahun setelah Albert Einstein meramalkan "gelombang gravitasi" ini dalam teori relativitas umumnya, dan seratus tahun setelah fisikawan mulai mencarinya.
Penemuan penting ini dilaporkan hari ini oleh para peneliti di LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Mereka mengkonfirmasi rumor yang menyelimuti analisis kumpulan data pertama yang telah mereka kumpulkan selama berbulan-bulan. Ahli astrofisika mengatakan bahwa penemuan gelombang gravitasi memungkinkan kita untuk melihat alam semesta dengan cara baru dan memungkinkan untuk mengenali peristiwa jauh yang tidak dapat dilihat dengan teleskop optik, tetapi Anda dapat merasakan dan bahkan mendengar getaran samar mereka mencapai kita melalui ruang angkasa.
“Kami telah mendeteksi gelombang gravitasi. Kita berhasil! mengumumkan David Reitze, direktur eksekutif dari 1.000 anggota tim peneliti, berbicara hari ini pada konferensi pers di Washington di National Science Foundation.
Gelombang gravitasi mungkin merupakan fenomena yang paling sulit dipahami dari prediksi Einstein, ilmuwan tersebut mendiskusikan topik ini dengan orang-orang sezamannya selama beberapa dekade. Menurut teorinya, ruang dan waktu membentuk materi peregangan, yang tertekuk di bawah pengaruh benda berat. Merasakan gravitasi berarti masuk ke kurva materi ini. Tapi bisakah ruang-waktu ini bergetar seperti kulit drum? Einstein bingung, dia tidak tahu apa arti persamaannya. Dan dia berulang kali mengubah sudut pandangnya. Tetapi bahkan para pendukung teorinya yang paling setia percaya bahwa gelombang gravitasi terlalu lemah untuk diamati. Mereka mengalir keluar setelah bencana alam tertentu, dan saat mereka bergerak, secara bergantian meregang dan berkontraksi ruang-waktu. Tapi pada saat gelombang ini mencapai Bumi,mereka merentang dan memampatkan setiap kilometer ruang dengan sebagian kecil dari diameter inti atom.
Detektor observatorium LIGO di Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Video promosi:
Butuh kesabaran dan kehati-hatian untuk mendeteksi gelombang ini. Observatorium LIGO meluncurkan sinar laser bolak-balik di sepanjang tikungan siku-siku sepanjang empat kilometer dari dua detektor, satu di Hanford, Washington dan lainnya di Livingston, Louisiana. Ini dilakukan untuk mencari ekspansi dan kontraksi yang bertepatan dari sistem ini selama lewatnya gelombang gravitasi. Dengan menggunakan stabilisator canggih, instrumen vakum, dan ribuan sensor, para ilmuwan mengukur perubahan dalam panjang sistem ini, yang besarnya hanya seperseribu ukuran proton. Sensitivitas instrumen seperti itu tidak terpikirkan seratus tahun yang lalu. Ini juga tampak luar biasa pada tahun 1968, ketika Rainer Weiss dari Massachusetts Institute of Technology membuat eksperimen yang disebut LIGO.
“Merupakan keajaiban besar bahwa pada akhirnya mereka berhasil. Mereka mampu mendeteksi getaran kecil ini! - kata fisikawan teoritis di Universitas Arkansas, Daniel Kennefick, yang menulis pada 2007 buku Bepergian dengan Kecepatan Pikiran: Einstein dan Pencarian Gelombang Gravitasi (Bepergian dengan kecepatan berpikir. Einstein dan pencarian gelombang gravitasi).
Penemuan ini menandai dimulainya era baru dalam astronomi gelombang gravitasi. Diharapkan kita akan memiliki ide yang lebih akurat tentang pembentukan, komposisi, dan peran galaksi lubang hitam - bola massa super padat ini yang mendistorsi ruang-waktu secara dramatis sehingga cahaya pun tidak dapat lepas dari sana. Ketika lubang hitam berdekatan satu sama lain dan bergabung, mereka menghasilkan sinyal impuls - osilasi ruang-waktu yang meningkatkan amplitudo dan nada, dan kemudian tiba-tiba berakhir. Sinyal yang dapat direkam oleh observatorium berada dalam jangkauan audio - namun, sinyal tersebut terlalu lemah untuk didengar oleh telinga telanjang. Anda dapat membuat ulang suara ini dengan mengusapkan jari Anda di atas tuts piano. “Mulailah dari nada terendah dan tingkatkan hingga oktaf ketiga,” kata Weiss. "Ini yang kami dengar."
Fisikawan sudah takjub dengan jumlah dan kekuatan sinyal yang terekam saat ini. Artinya, ada lebih banyak lubang hitam di dunia daripada yang diperkirakan sebelumnya. “Kami beruntung, tapi saya selalu mengandalkan keberuntungan seperti itu,” kata astrofisikawan Caltech Kip Thorne, yang menciptakan LIGO bersama Weiss dan Ronald Drever, yang juga dari Caltech. "Ini biasanya terjadi ketika jendela yang sama sekali baru terbuka di alam semesta."
Setelah menguping gelombang gravitasi, kita dapat membentuk gagasan yang sangat berbeda tentang ruang angkasa, dan mungkin kita akan menemukan fenomena kosmik yang tak terbayangkan.
"Saya dapat membandingkan ini dengan saat kami pertama kali mengarahkan teleskop ke langit," kata ahli astrofisika teoretis Janna Levin dari Barnard College, Universitas Columbia. "Orang-orang menyadari bahwa ada sesuatu di sana, dan Anda dapat melihatnya, tetapi mereka tidak dapat memprediksi rangkaian kemungkinan luar biasa yang ada di alam semesta." Demikian pula, kata Levin, penemuan gelombang gravitasi dapat menunjukkan bahwa alam semesta "penuh dengan materi gelap yang tidak bisa kita deteksi dengan teleskop".
Kisah penemuan gelombang gravitasi pertama dimulai pada Senin pagi di bulan September, dan dimulai dengan sebuah tepukan. Sinyalnya begitu jelas dan keras sehingga Weiss berpikir: "Tidak, ini tidak masuk akal, tidak akan ada hasil."
Intensitas emosi
Gelombang gravitasi pertama ini menyapu detektor LIGO yang ditingkatkan - pertama di Livingston dan tujuh milidetik kemudian di Hanford - selama simulasi yang dijalankan pada pagi hari tanggal 14 September, dua hari sebelum pengumpulan data secara resmi dimulai.
Detektor tersebut "rusak" setelah peningkatan lima tahun yang menelan biaya $ 200 juta. Mereka dilengkapi dengan cermin baru untuk peredam bising dan sistem umpan balik aktif untuk menekan getaran asing secara real time. Peningkatan ini memberikan observatorium yang telah ditingkatkan tingkat sensitivitasnya lebih tinggi daripada LIGO lama, yang menemukan "nol mutlak dan murni", seperti yang dikatakan Weiss, antara 2002 dan 2010.
Ketika sinyal kuat datang pada bulan September, para ilmuwan di Eropa, di mana saat itu pagi hari, mulai buru-buru membombardir rekan-rekan Amerika mereka dengan email. Ketika anggota kelompok yang lain bangun, berita menyebar dengan sangat cepat. Hampir semua orang skeptis tentang ini, kata Weiss, terutama ketika mereka melihat sinyalnya. Itu adalah buku teks klasik asli, dan beberapa orang mengira itu palsu.
Kesalahpahaman dalam pencarian gelombang gravitasi telah berulang kali terjadi sejak akhir 1960-an, ketika Joseph Weber dari University of Maryland percaya bahwa dia telah menemukan getaran resonansi dalam silinder aluminium dengan sensor sebagai respons terhadap gelombang. Pada tahun 2014, sebuah eksperimen yang disebut BICEP2 terjadi, yang hasilnya diumumkan bahwa gelombang gravitasi asli terdeteksi - osilasi ruang-waktu dari Big Bang, yang sekarang telah meregang dan membeku secara permanen dalam geometri alam semesta. Ilmuwan dari tim BICEP2 mengumumkan penemuan mereka dengan meriah, tetapi kemudian hasilnya diverifikasi secara independen, di mana ternyata mereka salah, dan bahwa sinyal ini berasal dari debu kosmik.
Ketika ahli kosmologi Arizona State University Lawrence Krauss mendengar tentang penemuan tim LIGO, dia pertama kali mengira itu adalah "benda buta". Selama pengoperasian observatorium lama, sinyal simulasi secara diam-diam dimasukkan ke dalam aliran data untuk menguji respons, dan sebagian besar tim tidak mengetahuinya. Ketika Krauss belajar dari sumber yang berpengetahuan bahwa kali ini bukan "isian buta", dia hampir tidak bisa menahan kegembiraannya yang menggembirakan.
Pada 25 September, dia tweeted ke 200.000 pengikutnya: “Rumor gelombang gravitasi terdeteksi pada detektor LIGO. Luar biasa jika benar. Saya akan memberi Anda detailnya, jika itu bukan pohon linden. " Ini diikuti dengan entri 11 Januari: “Rumor sebelumnya tentang LIGO telah dikonfirmasi oleh sumber independen. Ikuti beritanya. Mungkin gelombang gravitasi ditemukan!"
Posisi resmi para ilmuwan adalah sebagai berikut: jangan memikirkan sinyal yang diterima sampai ada kepastian seratus persen. Thorne, yang terikat tangan dan kaki oleh komitmen akan kerahasiaan ini, bahkan tidak mengatakan apapun kepada istrinya. "Saya merayakannya sendirian," katanya. Pertama-tama, para ilmuwan memutuskan untuk kembali ke awal dan menganalisis semuanya hingga detail terkecil untuk mengetahui bagaimana sinyal disebarkan melalui ribuan saluran pengukuran dari berbagai detektor, dan untuk memahami apakah ada sesuatu yang aneh pada saat sinyal terdeteksi. Mereka tidak menemukan sesuatu yang luar biasa. Mereka juga mengeliminasi peretas yang seharusnya paling tahu tentang ribuan aliran data selama percobaan. “Bahkan ketika tim melempar, mereka tidak cukup sempurna dan meninggalkan banyak jejak kaki,” kata Thorne. "Dan tidak ada jejak di sini."
Dalam minggu-minggu berikutnya, mereka mendengar sinyal lain yang lebih lemah.
Ilmuwan menganalisis dua sinyal pertama, dan mereka menerima lebih dan lebih. Pada bulan Januari, mereka mempresentasikan makalah penelitian mereka di Physical Review Letters. Masalah ini ada di Internet hari ini. Menurut perkiraan mereka, signifikansi statistik dari sinyal pertama yang paling kuat melebihi "5-sigma", yang berarti bahwa para peneliti 99,9999% yakin akan keasliannya.
Mendengarkan gravitasi
Persamaan relativitas umum Einstein begitu kompleks sehingga dibutuhkan sebagian besar fisikawan 40 tahun untuk setuju: ya, gelombang gravitasi ada dan dapat dideteksi - bahkan secara teoritis.
Awalnya, Einstein mengira bahwa benda tidak bisa melepaskan energi dalam bentuk radiasi gravitasi, tetapi kemudian dia mengubah sudut pandangnya. Dalam karya sejarahnya, yang ditulis pada tahun 1918, ia menunjukkan objek apa yang dapat melakukan ini: sistem berbentuk halter yang berputar secara bersamaan di sekitar dua sumbu, misalnya, biner dan supernova yang meledak seperti petasan. Merekalah yang dapat menghasilkan gelombang dalam ruang-waktu.
Model komputer yang menggambarkan sifat gelombang gravitasi di tata surya
Foto: REUTERS, Handout
Tetapi Einstein dan rekan-rekannya terus ragu. Beberapa fisikawan berpendapat bahwa meskipun gelombang ada, dunia akan bergetar bersamanya, dan mustahil untuk merasakannya. Barulah pada tahun 1957 Richard Feynman menutup pertanyaan ini dengan mendemonstrasikan dalam eksperimen pemikiran bahwa jika gelombang gravitasi ada, mereka secara teoritis dapat dideteksi. Tetapi tidak ada yang tahu seberapa umum sistem halter ini berada di luar angkasa, atau seberapa kuat atau lemah gelombang yang dihasilkan. “Pada akhirnya, pertanyaannya adalah: apakah kita akan pernah bisa menemukannya?” Kata Kennefick.
Pada tahun 1968, Rainer Weiss adalah seorang profesor muda di Massachusetts Institute of Technology dan ditugaskan untuk mengajar mata kuliah relativitas umum. Sebagai seorang peneliti, dia hanya tahu sedikit tentang hal itu, tetapi tiba-tiba ada kabar tentang penemuan gelombang gravitasi oleh Weber. Weber membuat tiga detektor resonansi seukuran meja dari aluminium dan menempatkannya di berbagai negara bagian Amerika. Sekarang dia mengatakan bahwa ketiga detektor tersebut merekam "suara gelombang gravitasi."
Siswa Weiss diminta menjelaskan sifat gelombang gravitasi dan mengungkapkan pendapat mereka tentang pesan yang dibunyikan. Mempelajari detailnya, dia kagum pada kompleksitas perhitungan matematis. “Saya tidak tahu apa yang dilakukan Weber, bagaimana sensor berinteraksi dengan gelombang gravitasi. Saya duduk lama dan bertanya pada diri sendiri: "Apa hal paling primitif yang dapat saya pikirkan untuk mendeteksi gelombang gravitasi?" Dan kemudian sebuah ide muncul di benak saya, yang saya sebut dasar konseptual LIGO."
Bayangkan tiga objek di ruang-waktu, misalnya, cermin di sudut segitiga. "Kirimkan sinyal cahaya dari satu ke yang lain," kata Weber. "Lihat berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk berpindah dari satu massa ke massa lainnya, dan periksa apakah waktunya telah berubah." Ternyata, kata ilmuwan itu, ini bisa dilakukan dengan cepat. “Ini saya titipkan kepada murid-murid saya sebagai tugas ilmiah. Secara harfiah, seluruh kelompok mampu melakukan perhitungan ini."
Pada tahun-tahun berikutnya, ketika peneliti lain mencoba mengulangi hasil eksperimen Weber dengan detektor resonansi, tetapi terus-menerus gagal (tidak jelas apa yang dia amati, tetapi ini bukan gelombang gravitasi), Weiss mulai menyiapkan eksperimen yang jauh lebih akurat dan ambisius: interferometer gelombang gravitasi. Sinar laser memantulkan tiga cermin berbentuk L untuk membentuk dua balok. Jarak antara puncak dan palung gelombang cahaya secara akurat menunjukkan panjang lutut “G” yang membentuk sumbu X dan Y ruang-waktu. Saat skala tidak bergerak, dua gelombang cahaya memantul dari sudut dan membatalkan satu sama lain. Sinyal di detektor adalah nol. Tetapi jika gelombang gravitasi melewati bumi, gelombang tersebut akan meregangkan salah satu lengan dari huruf "G" dan menekan panjang lengan lainnya (dan sebaliknya). Ketidakcocokan dua berkas cahaya menciptakan sinyal di detektor, menunjukkan sedikit fluktuasi dalam ruang-waktu.
Pada awalnya, sesama fisikawan skeptis, tetapi segera eksperimen tersebut mendapat dukungan dari pribadi Thorne, yang kelompok ahli teori dari Caltech menyelidiki lubang hitam dan sumber potensial gelombang gravitasi lainnya, serta sinyal yang mereka hasilkan. Thorne terinspirasi oleh eksperimen Weber dan upaya serupa oleh ilmuwan Rusia. Setelah berbicara pada tahun 1975 di sebuah konferensi dengan Weiss, "Saya mulai percaya bahwa deteksi gelombang gravitasi akan berhasil," kata Thorne. "Dan aku ingin Caltech terlibat dalam hal ini juga." Dia mengatur dengan institut tersebut untuk mempekerjakan peneliti Skotlandia Ronald Driever, yang juga mengumumkan bahwa dia akan membangun interferometer gelombang gravitasi. Seiring waktu, Thorne, Driver, dan Weiss mulai bekerja sebagai satu tim, masing-masing menyelesaikan bagian mereka sendiri dari masalah yang tak terhitung jumlahnya dalam persiapan untuk percobaan praktis. Ketiganya membentuk LIGO pada tahun 1984, dan ketika prototipe dibuat dan tim yang berkembang mulai, mereka menerima $ 100 juta dana dari National Science Foundation pada awal 1990-an. Cetak biru dibuat untuk konstruksi sepasang detektor raksasa berbentuk L. Satu dekade kemudian, detektor mulai bekerja.
Di Hanford dan Livingston, di tengah masing-masing tikungan sepanjang empat kilometer dari detektor ada ruang hampa, berkat laser, berkas dan cerminnya diisolasi secara maksimal dari getaran konstan planet. Untuk memastikan lebih banyak lagi, para ilmuwan LIGO memantau detektor mereka selama operasi mereka dengan ribuan instrumen, mengukur semua yang mereka bisa: aktivitas seismik, tekanan atmosfer, petir, sinar kosmik, getaran peralatan, suara di area sinar laser, dan sebagainya. Mereka kemudian menyaring kebisingan latar belakang yang tidak relevan ini dari data mereka. Mungkin hal utama adalah bahwa mereka memiliki dua detektor, dan ini memungkinkan Anda untuk membandingkan data yang diterima, memeriksa keberadaan sinyal yang bertepatan.
Di dalam ruang hampa yang tercipta, bahkan ketika laser dan cermin benar-benar terisolasi dan distabilkan, “hal-hal aneh selalu terjadi,” kata Marco Cavaglià, wakil juru bicara proyek LIGO. Para ilmuwan harus melacak "ikan mas", "hantu", "monster laut yang tidak dapat dipahami" ini dan fenomena getaran asing lainnya, mencari tahu sumbernya untuk melenyapkannya. Satu kasus sulit terjadi selama fase validasi, kata Jessica McIver, seorang ilmuwan peneliti dengan tim LIGO, yang mempelajari sinyal dan gangguan asing tersebut. Serangkaian suara frekuensi tunggal secara periodik sering muncul dalam data. Ketika dia dan rekan-rekannya mengubah getaran cermin menjadi file audio, "telepon berdering dengan jelas," kata McIver. "Ternyatabahwa pengiklan komunikasilah yang menelepon melalui telepon di dalam ruang laser."
Dalam dua tahun ke depan, para ilmuwan akan terus meningkatkan sensitivitas detektor LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory yang dimodernisasi. Dan di Italia, interferometer ketiga, yang disebut Advanced Virgo, akan mulai berfungsi. Satu jawaban bahwa data yang diperoleh akan membantu memberikan adalah bagaimana lubang hitam terbentuk. Apakah mereka hasil dari runtuhnya bintang masif paling awal, atau hasil dari tabrakan di dalam gugus bintang padat? “Ini hanyalah dua asumsi, saya kira akan ada lebih banyak asumsi ketika semua orang tenang,” kata Weiss. Saat LIGO mulai mengumpulkan statistik baru selama pekerjaannya yang akan datang, para ilmuwan akan mulai mendengarkan cerita tentang asal usul lubang hitam yang akan dibisikkan oleh ruang angkasa kepada mereka.
Dalam bentuk dan ukuran, sinyal berdenyut paling keras yang pertama berasal 1,3 miliar tahun cahaya dari mana, setelah tarian lambat yang abadi, di bawah pengaruh tarikan gravitasi timbal balik, dua lubang hitam, masing-masing sekitar 30 kali massa matahari, akhirnya bergabung. Lubang hitam berputar lebih cepat dan lebih cepat, seperti pusaran air, secara bertahap mendekat. Kemudian terjadilah penggabungan, dan dalam sekejap mata mereka melepaskan gelombang gravitasi dengan energi yang sebanding dengan tiga Matahari. Fusi ini menjadi fenomena energik terkuat yang pernah tercatat.
"Rasanya seperti kita belum pernah melihat lautan saat badai," kata Thorne. Dia telah menunggu badai ini di ruang-waktu sejak tahun 1960-an. Perasaan yang dialami Thorne saat ombak bergulung bukanlah kegembiraan, katanya. Itu adalah sesuatu yang lain: perasaan kepuasan terdalam.
