Para ilmuwan telah mendengar aria gravitasi untuk pertama kalinya.
Konten terkait
- Lima Hal yang Perlu Diketahui Tentang Gelombang Gravitasi
- Tujuh Cara Sederhana yang Kita Ketahui Einstein Benar (Untuk Sekarang)
Ketika dua lubang hitam berputar satu sama lain dan bergabung, mereka menciptakan riak-riak pada jalinan kosmos persis seperti yang diprediksi oleh fisikawan selama seabad: gelombang gravitasi. Diluncurkan hari ini selama serangkaian konferensi pers internasional, sinyal membuka jalan bagi pemahaman baru tentang alam semesta.
"Ini adalah pertama kalinya alam semesta berbicara kepada kita melalui gelombang gravitasi. Sampai sekarang kita tuli, " Direktur Laboratorium LIGO David Reitze, dari University of Florida, mengatakan hari ini di sebuah acara pers di Washington, DC
Di akar gelombang gravitasi adalah teori gravitasi Albert Einstein, yang mengatakan bahwa apa pun dengan massa melengkungkan struktur ruang-waktu. Ketika benda-benda besar bergerak, mereka menciptakan distorsi pada kain kosmik, menghasilkan gelombang gravitasi. Gelombang-gelombang ini berdesir melalui alam semesta seperti gelombang suara yang berdenyut di udara.
Teori Einstein memprediksikan bahwa alam semesta penuh dengan gelombang gravitasi, tetapi sampai sekarang kita belum dapat mendeteksinya, sebagian karena gelombangnya sangat redup. Tetapi bahkan sebelum instrumen yang ditingkatkan itu diluncurkan secara resmi tahun lalu, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) mengambil sinyal yang jelas dari tabrakan kuat dari dua lubang hitam 1, 3 miliar tahun cahaya jauhnya.
“Agar sinyal gelombang gravitasi terdeteksi sementara LIGO masih belum mendekati sensitivitas desain dalam rangkaian sains pertama sangat mencengangkan, ini menjatuhkan rahang, dengan cara yang baik” kata Joan Centrella, yang mengepalai Gravitational Astrophysics Laboratory di NASA Goddard Space Flight. Pusat sebelum menjadi wakil direktur Divisi Ilmu Astrofisika di Goddard.
Kegembiraan itu mengalir melalui LIGO's Livingston, Louisiana, observatorium dan melalui seluruh dunia ketika tim membuat pengumuman mereka. Hampir segala sesuatu yang dipelajari para astronom tentang kosmos berasal dari berbagai bentuk cahaya, seperti yang terlihat, gelombang radio dan sinar-X. Tetapi sama seperti gelombang seismik dapat mengungkapkan struktur tersembunyi jauh di dalam Bumi, gelombang gravitasi membawa informasi tentang sifat-sifat tersembunyi dari alam semesta yang bahkan cahaya tidak dapat ungkapkan.
"Kami mulai dengan pekerjaan berisiko tinggi dengan potensi hasil yang sangat tinggi, " Kip Thorne, salah satu pendiri LIGO dan fisikawan gravitasi di California Institute of Technology, mengatakan selama acara pers. "Dan kita di sini hari ini dengan kemenangan besar — cara baru untuk mengamati alam semesta."
Petunjuk Awal
Perburuan gelombang gravitasi dimulai seabad yang lalu, dengan publikasi teori relativitas umum Einstein. Pada pertengahan 1970-an, fisikawan Russell A. Hulse dan Joseph H. Taylor, Jr. menangkap bukti yang sangat meyakinkan bahwa riak-riak ini ada. Mereka mengukur waktu yang diperlukan untuk dua bintang neutron yang padat — inti yang hancur dari bintang yang dahsyat sekali — untuk saling mengorbit.
Berdasarkan karya Einstein, mereka tahu bintang-bintang ini harus memancarkan energi gravitasi ketika mereka berputar, dan bahwa energi yang hilang harus menyebabkan mereka saling berputar. Setelah mempelajari dua bintang selama beberapa tahun ke depan, mereka melihat bahwa orbitnya menurun dengan jumlah yang diprediksi oleh relativitas umum.
Sementara penemuan itu membuat keduanya mendapatkan hadiah Nobel 1993 dalam bidang fisika, sebagian besar fisikawan tidak akan menyebutnya sebagai pendeteksi langsung gelombang gravitasi.
Pada tahun 2001, LIGO mulai beroperasi di dua lokasi yang terpisah 1.875 mil — satu di Livingston, Louisiana dan lainnya di Hanford, Washington. Beberapa tahun kemudian, teleskop gelombang gravitasi Eropa Virgo juga online. Keduanya beroperasi hingga 2010 dan 2011, masing-masing, sebelum offline untuk peningkatan.
Sementara para ilmuwan berharap observatorium awal ini akan menangkap gelombang gravitasi, mereka tahu itu adalah pukulan panjang. Riak-riak ini adalah sinyal yang sangat lemah, dan instrumennya tidak cukup sensitif untuk mendengar bisikan mereka. Tetapi langkah awal berfungsi sebagai tes teknologi untuk instrumen generasi berikutnya.
Virgo masih ditingkatkan, tetapi tim LIGO menyelesaikan pekerjaan mereka pada kedua detektor pada tahun 2015. Sekarang disebut Advanced LIGO, observatorium Louisiana dan Washington mendengarkan gelombang gravitasi selama menjalankan pengamatan ilmiah pertama antara 18 September 2015, dan 12 Januari, 2016. Sinyal yang diumumkan hari ini diambil sesaat sebelum lari resmi pertama, saat tim menjalankan tes operasional detektor.
Presisi laser
Merasakan gelombang ketika melewati Bumi membutuhkan banyak teknik, daya komputer, dan lebih dari 1.000 ilmuwan yang bekerja di seluruh dunia.
Di dalam setiap observatorium LIGO berbentuk L, sebuah laser duduk di titik pertemuan dua tabung tegak lurus. Laser melewati instrumen yang membagi cahaya, sehingga dua sinar berjalan sekitar 2, 5 mil ke bawah setiap tabung. Cermin di ujung tabung memantulkan cahaya kembali ke sumbernya, tempat detektor menunggu.
Biasanya tidak ada lampu yang mendarat di detektor. Tetapi ketika gelombang gravitasi melintas, gelombang itu seharusnya meregangkan dan menindih ruang-waktu dalam pola yang dapat diprediksi, secara efektif mengubah panjang tabung dengan jumlah yang kecil — pada urutan seperseribu diameter proton. Kemudian, beberapa cahaya akan mendarat di detektor.
Untuk menjelaskan perubahan yang sangat kecil, cermin instrumen melekat pada sistem kompleks yang mengisolasi mereka dari sebagian besar getaran. Ilmuwan LIGO juga memiliki program komputer khusus yang dapat menyaring berbagai macam kebisingan latar belakang, seperti getaran sesekali, dan menentukan apakah ada sinyal masuk yang cocok dengan sumber astronomi yang mungkin dihitung menggunakan relativitas umum.
Situs Louisiana dan Washington bekerja sama untuk memverifikasi penampakan. "Kami tidak percaya bahwa kami melihat gelombang gravitasi kecuali jika kedua detektor melihat sinyal yang sama dalam jumlah waktu yang dibutuhkan gelombang gravitasi untuk melakukan perjalanan antara kedua situs, " kata anggota tim LIGO Amber Stuver dari Louisiana State University. Dalam hal ini, gelombang melewati Bumi dan menabrak dua detektor hanya tujuh milidetik terpisah.
Setelah situs Louisiana dan Washington mendeteksi nada gravitasi yang mungkin, para ilmuwan mulai mengerjakan analisis. LIGO menerima sinyal ini pada 14 September tetapi baru sekarang dapat mengatakan dengan sangat yakin bahwa mereka melihat gelombang gravitasi.
"Kami butuh waktu berbulan-bulan untuk memeriksa, memeriksa kembali, menganalisis, bekerja dengan setiap bagian data untuk memastikan penampakan, " kata Reitze selama acara DC. "Dan kita meyakinkan diri kita sendiri bahwa itulah masalahnya." Hasilnya muncul minggu ini di Physical Review Letters .
Pemandangan dari detektor LIGO di Livingston, Louisiana. (Laboratorium LIGO) Sinyal gelombang gravitasi yang ditarik para astronom dari pengamatan terbaru cocok dengan apa yang mereka harapkan untuk dua lubang hitam yang saling berputar satu sama lain. Tarian ini mengirimkan gelombang gravitasi pada frekuensi dan kekuatan yang dapat diprediksi, tergantung pada seberapa jauh jarak objek dan massa mereka.
Ketika mereka mulai menari lebih dekat, panjang gelombang dari gelombang gravitasi menyusut dan lagu mereka mencapai nada yang lebih tinggi. Ketika lubang hitam dekat untuk pelukan akhir, sinyal gelombang gravitasi memiliki satu nada tinggi akhir, atau "kicauan, " sebagaimana para astronom menyebutnya.
Sinyal September berbaris indah dengan apa yang diharapkan tim dari dua lubang hitam dengan massa sama dengan sekitar 29 dan 36 kali massa matahari. Lubang hitam itu menghantam bersama-sama untuk menciptakan lubang hitam baru 62 kali massa matahari — memancarkan 3 energi matahari dari massa matahari.
Mengharapkan yang tak terduga
Dengan deteksi awal ini, para astronom berharap bahwa Advanced LIGO akan terus menangkap gelombang gravitasi dan mulai membangun data untuk semua jenis studi ilmiah, dari mencari tahu bagaimana supernova bekerja untuk belajar tentang beberapa momen pertama alam semesta. Sementara tidak ada teleskop astronomi lain yang melihat tanda-tanda tabrakan lubang hitam ini, beberapa sumber lain yang dicari Advanced LIGO seharusnya memiliki rekan yang terlihat oleh teleskop yang menangkap cahaya.
Ini tampaknya sangat menjanjikan mengingat Advanced LIGO bahkan belum dalam sensitivitas penuh. Itu akan datang dalam beberapa tahun mendatang, kata Stuver.
Masing-masing sinyal ini akan memberi para astronom apa yang tidak pernah mereka miliki sebelumnya: cara untuk menyelidiki kasus-kasus gravitasi yang ekstrem dan pergerakan benda-benda tak kasat mata. Yang lebih menarik, para astronom tahu bahwa dengan setiap kemajuan teknologi, alam semesta memiliki cara yang mengejutkan kita.
"Setiap kali kita melihat dengan cara baru dan jenis cahaya yang berbeda, kita menemukan sesuatu yang tidak kita harapkan untuk ditemukan, " kata Stuver. "Dan itu hal yang tak terduga yang merevolusi pemahaman kita tentang alam semesta." setelah para astronom menyalakan antena radio di langit, mereka menemukan jenis bintang neutron yang tak terduga yang disebut pulsar. Dan, mungkin secara puitis, itu adalah bintang pulsar dan neutron yang melakukan tarian orbital yang dipelajari Hulse dan Taylor pada tahun 1970-an.
Sekarang, dengan dimulainya astronomi gelombang gravitasi, para ilmuwan memiliki alat baru untuk pengambilan sampel kosmos. Dan dari suaranya, kami menyukai musik yang indah.
Catatan Editor: Afiliasi Joan Centrella telah diperbaiki.
