Lebih dari satu miliar tahun yang lalu, di galaksi yang sangat jauh, dua lubang hitam mengeksekusi langkah-langkah terakhir dalam pas de deux yang cepat, diakhiri dengan pelukan akhir yang begitu keras sehingga melepaskan lebih banyak energi daripada hasil gabungan dari setiap bintang di setiap galaksi di alam semesta yang dapat diamati. Namun, tidak seperti cahaya bintang, energinya gelap, dibawa oleh gaya gravitasi yang tak terlihat. Pada tanggal 14 September 2015, pada pukul 5:51 pagi Waktu Siang Bagian Timur, sebuah fragmen dari energi itu, dalam bentuk "gelombang gravitasi, " mencapai Bumi, dikurangi oleh transitnya yang luas melintasi ruang dan waktu menjadi sekadar bisikan yang menggelegar. awal.
Bacaan terkait
Alam Semesta yang Elegan
MembeliSejauh yang kita tahu, Bumi telah bermandikan gangguan gravitasi jenis ini sebelumnya. Sering. Perbedaan kali ini adalah bahwa dua detektor yang sangat tepat, satu di Livingston, Louisiana, dan yang lainnya di Hanford, Washington, berdiri di siap. Ketika gelombang gravitasi bergulir, itu menggelitik detektor, memberikan tanda tangan yang tidak salah untuk menabrak lubang hitam di sisi lain alam semesta dan menandai awal babak baru dalam eksplorasi manusia terhadap kosmos.
Ketika desas-desus tentang penemuan itu mulai beredar pada bulan Januari, aku memutar mataku pada apa yang jelas-jelas merupakan alarm palsu atau sebuah taktik untuk membangkitkan sedikit gebrakan. Sebagai program penelitian memasuki dekade kelima, perburuan gelombang gravitasi telah lama menjadi penemuan utama yang selalu melayang di cakrawala. Fisikawan menjadi pasrah untuk menunggu Godot gravitasi mereka.
Tapi kecerdikan dan ketekunan manusia telah menang. Itu adalah salah satu dari kemenangan itu yang bahkan memberi kami semangat dari sela-sela gemetar.
Begini ceritanya, singkatnya.
November lalu, dunia merayakan seratus tahun penemuan terbesar Einstein, teori relativitas umum, yang mengungkapkan paradigma baru untuk memahami gravitasi. Pendekatan Isaac Newton dengan benar memprediksi tarikan gravitasi antara dua benda apa pun tetapi tidak memberikan wawasan tentang bagaimana sesuatu di sini dapat menjangkau ruang kosong dan menarik sesuatu di sana. Einstein menghabiskan satu dekade mencoba menentukan bagaimana gravitasi dikomunikasikan, dan akhirnya menyimpulkan bahwa ruang dan waktu membentuk tangan tak kasat mata yang melakukan penawaran gravitasi.
Berlangganan majalah Smithsonian sekarang hanya dengan $ 12
Kisah ini adalah pilihan dari majalah Smithsonian edisi April
MembeliMetafora pilihan, terlalu sering digunakan tetapi menggugah, adalah menganggap ruang sebagai trampolin. Tempatkan bola bowling di tengah-tengah trampolin yang menyebabkannya melengkung, dan marmer akan didorong untuk bergerak di sepanjang lintasan yang melengkung. Demikian pula, Einstein menyatakan bahwa di dekat benda astronomi seperti Matahari, kurva lingkungan ruangwaktu, yang menjelaskan mengapa Bumi, seperti halnya marmer, mengikuti lintasan melengkung. Pada 1919, pengamatan astronomi mengkonfirmasi visi yang luar biasa ini, dan menjadikan Einstein Einstein.
Einstein mendorong penemuannya yang penting lebih jauh. Sampai saat itu, ia telah fokus pada situasi statis: menentukan bentuk tetap suatu wilayah ruangwaktu yang timbul dari sejumlah materi tertentu. Tetapi Einstein kemudian beralih ke situasi yang dinamis: Apa yang akan terjadi pada kain ruangwaktu jika materi bergerak dan bergetar? Dia menyadari bahwa sama seperti anak-anak yang melompat di atas trampolin menghasilkan gelombang di permukaan yang beriak ke luar, materi yang bergerak dengan cara ini dan itu akan menghasilkan gelombang dalam jalinan ruangwaktu yang beriak ke luar juga. Dan karena, menurut relativitas umum, ruangwaktu melengkung adalah gravitasi, gelombang ruangwaktu melengkung adalah gelombang gravitasi.
Gelombang gravitasi mewakili keberangkatan relativitas umum yang paling signifikan dari gravitasi Newton. Ruangwaktu fleksibel tentu saja merupakan pembentukan kembali gravitasi yang mendalam, namun dalam konteks yang akrab seperti tarikan gravitasi Matahari atau Bumi, prediksi Einstein nyaris tidak berbeda dengan Newton. Namun, karena gravitasi Newton diam mengenai bagaimana gravitasi ditransmisikan, gagasan gangguan gravitasi bepergian tidak memiliki tempat dalam teori Newton.
Einstein sendiri memiliki keraguan tentang prediksinya terhadap gelombang gravitasi. Ketika pertama kali menemukan persamaan halus relativitas umum, sulit untuk memisahkan matematika abstrak dari fisika terukur. Einstein adalah yang pertama terlibat dalam pergolakan ini, dan ada fitur-fitur yang bahkan dia, pusat relativitas, gagal untuk sepenuhnya memahami. Tetapi pada 1960-an, para ilmuwan yang menggunakan metode matematika yang lebih canggih membuktikan tanpa keraguan bahwa gelombang gravitasi adalah ciri pembeda dari teori relativitas umum.
Ilustrasi gelombang gravitasi (John Hersey) Bagaimana, kemudian, prediksi ikonik ini dapat diuji? Pada 1974, menggunakan Teleskop Radio Arecibo, Joseph Taylor dan Russell Hulse menemukan pulsar biner: dua bintang neutron yang mengorbit yang periode orbitnya dapat dilacak dengan sangat teliti. Menurut relativitas umum, bintang-bintang yang mengorbit menghasilkan gerakan gelombang gravitasi mantap yang menguras energi, menyebabkan bintang-bintang saling berdekatan dan mengorbit lebih cepat. Pengamatan mengkonfirmasi prediksi ini ke T, memberikan bukti, meskipun tidak langsung, bahwa gelombang gravitasi adalah nyata. Hulse dan Taylor menerima Hadiah Nobel 1993.
Prestasi ini hanya membuat deteksi langsung gelombang gravitasi semakin memikat. Tapi tugas itu menakutkan. Perhitungan menunjukkan bahwa ketika gelombang gravitasi beriak melalui ruang, apapun yang ada di jalurnya akan direntangkan dan diperas di sepanjang sumbu yang tegak lurus dengan arah gerak gelombang. Gelombang gravitasi menuju langsung ke Amerika Serikat akan secara bergantian meregangkan dan meremas ruang antara New York dan California, dan antara Texas dan North Dakota. Dengan memantau jarak seperti itu dengan tepat, kita harus dapat menentukan lewatnya gelombang.
Tantangannya adalah sebanyak riak di kolam mereda saat menyebar, riak gravitasi mencair saat bergerak dari sumbernya. Karena tabrakan kosmik utama biasanya terjadi sangat jauh dari kita (untungnya), pada saat gelombang gravitasi muncul mencapai Bumi, jumlah peregangan dan pemerasan yang mereka sebabkan kecil - kurang dari diameter atom. Mendeteksi perubahan seperti itu setara dengan mengukur jarak dari Bumi ke bintang terdekat di luar tata surya dengan akurasi yang lebih baik daripada ketebalan selembar kertas.
Upaya pertama, yang dipelopori oleh Joseph Weber dari Universitas Maryland pada 1960-an, menggunakan silinder aluminium padat multi-ton, dengan harapan mereka akan beresonansi dengan lembut seperti garpu tala raksasa dalam menanggapi gelombang gravitasi yang lewat. Pada awal 1970-an, Weber mengklaim sukses, waktu yang tepat. Dia melaporkan bahwa gelombang gravitasi membunyikan detektornya hampir setiap hari. Prestasi penting ini menginspirasi orang lain untuk menguatkan klaim Weber, tetapi setelah bertahun-tahun mencoba, tidak ada yang bisa menangkap bahkan satu gelombang pun.
Keyakinan Weber yang gigih akan hasilnya, jauh setelah bukti yang dikumpulkan menunjukkan sebaliknya, berkontribusi pada perspektif yang telah mewarnai bidang ini selama beberapa dekade. Selama bertahun-tahun, banyak ilmuwan percaya, seperti halnya Einstein, bahwa bahkan jika gelombang gravitasi itu nyata, mereka hanya akan terlalu lemah untuk dideteksi. Mereka yang berangkat untuk menemukan mereka sedang melakukan tugas orang bodoh, dan mereka yang percaya klaim deteksi dibodohi.
Pada 1970-an, beberapa yang masih memiliki bug gelombang gravitasi beralih ke skema deteksi yang lebih menjanjikan di mana laser akan digunakan untuk membandingkan panjang dua terowongan identik panjang yang berorientasi pada 90 derajat satu sama lain. Gelombang gravitasi yang lewat akan meregangkan satu terowongan sambil menekan yang lain, sedikit mengubah jarak yang ditempuh oleh sinar laser yang ditembakkan di sepanjang masing-masing. Ketika dua sinar laser kemudian digabungkan kembali, pola yang dihasilkan bahwa bentuk cahaya sensitif terhadap perbedaan menit dalam seberapa jauh setiap balok telah melakukan perjalanan. Jika gelombang gravitasi bergulir, bahkan gangguan sangat kecil yang diciptakannya akan meninggalkan pola laser yang dimodifikasi.
Itu ide yang indah. Tetapi para penipu di dekatnya, truk-truk yang bergemuruh, hembusan angin atau pohon-pohon yang tumbang dapat mengganggu eksperimen semacam itu. Ketika mencari perbedaan panjang kurang dari sepersejuta dari sepersejuta meter, kemampuan untuk melindungi peralatan dari setiap agitasi lingkungan yang mungkin, betapapun kecilnya, menjadi yang terpenting. Dengan persyaratan yang tampaknya tak dapat diatasi itu, para penentang diberikan lebih banyak amunisi. Menangkap gelombang gravitasi akan membuat Horton mendengar Who, bahkan di tengah hiruk-pikuk kereta bawah tanah New York City, permainan anak-anak belaka.
Namun demikian, fisikawan Amerika Kip Thorne dan Rainer Weiss, kemudian bergabung dengan fisikawan Skotlandia Ronald Drever, memimpikan membangun detektor gelombang gravitasi berbasis laser, dan mereka mengatur roda bergerak agar mimpi itu menjadi kenyataan.
Pada tahun 2002, setelah beberapa dekade penelitian dan pengembangan dan lebih dari $ 250 juta investasi dari National Science Foundation, dua keajaiban sains dan teknologi yang membentuk LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) dikerahkan di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington. Terowongan yang dievakuasi sepanjang empat kilometer dalam bentuk huruf raksasa "L" akan menampung sinar laser sekitar 50.000 kali lebih kuat daripada penunjuk laser standar. Lampu laser akan memantul bolak-balik di antara cermin-cermin paling halus di dunia, ditempatkan di ujung yang berlawanan dari masing-masing lengan, mencari ketidakcocokan kecil dalam waktu yang dibutuhkan masing-masing untuk menyelesaikan perjalanan.
Para peneliti menunggu. Dan menunggu. Tapi setelah delapan tahun, tidak ada apa-apa. Mengecewakan, tentu saja, tetapi seperti yang dikatakan tim peneliti, tidak mengejutkan. Perhitungan telah menunjukkan bahwa LIGO hampir tidak ada pada ambang sensitivitas yang diperlukan untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Jadi pada tahun 2010, LIGO ditutup untuk berbagai peningkatan, hingga lebih dari $ 200 juta, dan pada musim gugur 2015, LIGO yang lebih baik, berkali-kali lebih sensitif, dihidupkan. Yang mengejutkan, kurang dari dua hari kemudian, sebuah getaran yang tiba-tiba mengguncang detektor di Louisiana, dan tujuh milidetik kemudian, detektor di Washington bergerak dengan cara yang hampir persis sama. Pola getaran halus sesuai dengan apa yang diprediksi oleh simulasi komputer untuk gelombang gravitasi yang akan dihasilkan oleh pergolakan akhir dari lubang hitam yang mengorbit yang saling bertabrakan.
Seorang teman saya di dalam, bersumpah untuk menjaga kerahasiaan tetapi bersedia memberikan petunjuk yang tidak terlalu halus, mengatakan kepada saya, "Bayangkan saja mimpi terliar kita telah menjadi kenyataan." Tapi itu adalah pukulan dari gelombang-jackpot gravitasi. yang membuat para peneliti berhenti. Itu hampir terlalu sempurna.
Peralatan LIGO tergantung pada cermin yang direkayasa dengan tepat — dan sangat bersih. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Dengan beberapa bulan upaya intens dan tekun menyelidiki semua penjelasan lainnya, betapapun mustahil, hanya satu kesimpulan yang tersisa. Sinyal itu nyata. Satu abad setelah Einstein meramalkan keberadaan mereka, deteksi langsung pertama gelombang gravitasi dirayakan oleh lebih dari 1.000 ilmuwan yang bekerja pada percobaan LIGO. Mereka telah menangkap gumaman sesaat dari tsunami gravitasi yang dilepaskan lebih dari satu miliar tahun yang lalu, sisa penggabungan yang gelap di suatu tempat di langit selatan yang dalam.
Pengumuman pers resmi, pada 11 Februari, di Washington, DC, adalah listrik. Di institusi saya sendiri, Universitas Columbia, kami harus memindahkan siaran langsung dari prosesnya ke salah satu tempat terbesar di kampus, dan cerita serupa diputar di universitas-universitas di seluruh dunia. Untuk sesaat, gelombang gravitasi mengalahkan prognostik presiden.
Kegembiraan dijamin. Sejarah akan melihat kembali penemuan sebagai salah satu dari sedikit titik belok yang mengubah arah ilmu pengetahuan. Sejak manusia pertama memandang ke angkasa, kita telah menjelajahi alam semesta menggunakan gelombang cahaya. Teleskop secara substansial meningkatkan kemampuan ini, dan dengan itu kami menemukan kemegahan lanskap kosmik baru. Selama abad ke-20, kami memperluas jenis sinyal cahaya yang kami deteksi — inframerah, radio, ultraviolet, gamma, dan sinar-X — semua bentuk cahaya tetapi dengan panjang gelombang di luar rentang yang dapat kita lihat dengan mata telanjang. Dan dengan penyelidikan baru ini, lanskap kosmik masih tumbuh lebih kaya.
Gelombang gravitasi adalah jenis penyelidikan kosmik yang sangat berbeda, dengan potensi menghasilkan konsekuensi yang lebih dramatis. Cahaya bisa diblokir. Bahan buram, seperti naungan jendela, dapat menghalangi cahaya tampak. Sangkar logam dapat menghalangi gelombang radio. Sebaliknya, gravitasi melewati segalanya, hampir tidak berubah.
Jadi, dengan gelombang gravitasi sebagai pendeteksi kita, kita akan dapat memeriksa bidang-bidang yang terlarang bagi cahaya, seperti perebutan ruangwaktu yang kacau ketika dua lubang hitam bertabrakan atau mungkin gemuruh liar ledakan besar itu sendiri, 13, 8 miliar tahun yang lalu. Sudah, pengamatan telah mengkonfirmasi gagasan bahwa lubang hitam dapat membentuk pasangan biner. Lebih menggoda lagi, kita mungkin menemukan pemandangan gelap yang dihuni oleh hal-hal yang belum pernah kita bayangkan.
Saat jaringan detektor di seluruh dunia — di Italia, Jerman, segera Jepang dan kemungkinan India — mengumpulkan data mereka, mudah-mudahan akan bergabung di masa depan oleh detektor besar yang beroperasi di ruang angkasa, kemampuan kita untuk menyelidiki kosmos akan mengambil langkah besar lainnya meneruskan. Yang benar-benar mendebarkan. Tidak ada yang lebih mengilhami daripada kemampuan kita, di tengah pergolakan terestrial kita yang selalu ada, untuk melihat ke atas, untuk bertanya-tanya, dan untuk memiliki kecerdikan dan dedikasi untuk melihat sedikit lebih jauh.
**********
