Dalam kebanyakan kasus, mendeteksi efek gravitasi tidaklah sulit. Skydivers bergegas menuju tanah saat mereka melangkah keluar dari pesawat, dan berkat teleskop ruang angkasa, Anda dapat melihat cahaya yang melengkung ke dalam cincin yang menakjubkan oleh pengelompokan besar galaksi. Tetapi telah terbukti sangat sulit untuk mendeteksi gelombang gravitasi, riak dalam ruang-waktu yang dipicu oleh peristiwa kosmik yang kuat.
Konten terkait
- Treaty Spacey ini Termasuk Galaksi Smiley Face dan Interstellar Rose
- Tidak, Kami Belum Mendeteksi Gelombang Gravitasi (Namun)
Sebagian besar upaya sejauh ini telah mencari cara riak ruang-waktu diharapkan mempengaruhi cahaya dan materi. Sekarang para ilmuwan di AS dan Israel berpikir kita dapat menemukan gelombang lebih cepat dan lebih murah jika kita mencari pengaruhnya terhadap waktu alih-alih ruang.
Perburuan gelombang gravitasi telah berlangsung sejak 1916, ketika Albert Einstein memperkirakan mereka harus ada sebagai bagian dari teori relativitas umumnya. Dia menyatakan bahwa ruang-waktu seperti kain, dan apa yang kita rasakan sebagai gravitasi adalah kelengkungan dalam kain yang disebabkan oleh benda-benda besar. Seperti bola bowling yang ditangguhkan dalam selimut, misalnya, planet Bumi kita yang besar melengkung ruang-waktu di sekitarnya.
Teori ini juga menunjukkan bahwa ketika benda yang sangat besar seperti lubang hitam bergabung, ledakan gravitasi akan mengirim riak yang menyebar keluar melalui ruang-waktu. Mendeteksi mereka tidak hanya akan terus memvalidasi teori Einstein, itu akan membuka jendela baru di alam semesta, karena para ilmuwan dapat menggunakan gelombang gravitasi untuk menyelidiki peristiwa yang tidak terlihat di seluruh kosmos. Tetapi bukti dari gelombang gravitasi telah sulit dipahami, sebagian besar karena gelombang tumbuh semakin lemah semakin jauh mereka bepergian, dan banyak sumber gelombang gravitasi ditemukan di tepi alam semesta, miliaran tahun cahaya jauhnya.
Tahun lalu sebuah percobaan yang disebut BICEP2 mengklaim telah mendeteksi sinyal samar yang terkait dengan jenis gelombang gravitasi purba, yang dihasilkan oleh percepatan pertumbuhan tiba-tiba di alam semesta awal. Klaim itu prematur, karena analisis kemudian mengurangi kepercayaan bahwa tim BICEP2 melihat lebih dari sekadar debu yang berputar-putar di Bima Sakti.
Observatorium eLISA yang direncanakan Badan Antariksa Eropa, akan diluncurkan pada 2034, dirancang untuk mendeteksi jenis gelombang yang berbeda: gelombang gravitasi milihertz, atau frekuensi rendah, yang dihasilkan oleh penggabungan pasangan lubang hitam supermasif. Para ilmuwan telah menemukan lubang hitam supermasif di pusat banyak galaksi besar, termasuk galaksi kita. Koalesensi dua galaksi tersebut diprediksi memancarkan gelombang gravitasi yang dapat merambat melintasi alam semesta. Untuk menemukannya, eLISA akan menggunakan laser untuk mengukur perubahan kecil dalam jarak armada pesawat ruang angkasa yang seharusnya terjadi ketika gelombang gravitasi lewat.
Dalam sebuah makalah baru, Avi Loeb di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian dan Dani Maoz di Universitas Tel Aviv menunjukkan bahwa kemajuan terbaru dalam penentuan waktu dapat memungkinkan jam atom untuk mendeteksi gelombang gravitasi lebih cepat dan lebih murah daripada eLISA. Mereka menguraikan proposal untuk array jam atom yang ditempatkan di berbagai titik di sekitar matahari yang bisa mendeteksi fenomena yang disebut pelebaran waktu, ketika efek gravitasi dapat menyebabkan waktu melambat.
Seperti eLISA, rencana mereka juga membutuhkan pesawat ruang angkasa terbang dalam formasi dan berkomunikasi menggunakan laser. Tapi alih-alih menyampaikan informasi tentang perubahan jarak, laser akan melacak perbedaan kecil dalam ketepatan waktu antara jam atom yang disinkronkan dipasang di pesawat ruang angkasa.
Perubahan temporal yang diprediksi kecil: "Kita berbicara tentang satu bagian dalam sejuta triliun dalam ketepatan waktu, " kata Loeb. "Untuk mendeteksi perubahan semacam itu, Anda membutuhkan jam yang tidak akan mendapatkan atau kehilangan hanya sepersepuluh detik bahkan jika itu akan beroperasi selama 4, 5 miliar tahun, atau seluruh umur Bumi."
Sampai saat ini, akurasi semacam ini berada di luar kemampuan jam atom yang menggunakan unsur cesium, yang merupakan dasar untuk standar ketepatan waktu internasional saat ini. Tetapi pada awal 2014, fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) meluncurkan jam atom "optik kisi" eksperimental yang menetapkan rekor dunia baru untuk presisi dan stabilitas. Jam ini beroperasi pada frekuensi optik sehingga memberikan akurasi yang lebih besar daripada jam atom cesium, yang mengandalkan gelombang mikro untuk menjaga waktu.
Secara teori, jam atom optik dapat memberikan presisi yang diperlukan untuk mendeteksi pergeseran waktu kecil yang diprediksi dari gelombang gravitasi. Loeb dan Maoz berpendapat bahwa desain mereka akan lebih sederhana dan dapat dicapai dengan biaya lebih rendah, karena itu akan membutuhkan laser yang kurang kuat daripada eLISA. Jam atom dengan presisi lebih rendah sudah digunakan pada satelit GPS, jadi Loeb berpikir itu mungkin untuk mengirim generasi baru jam atom ke ruang angkasa juga.
Dua pesawat ruang angkasa yang ditempatkan pada jarak yang tepat terpisah dapat merasakan puncak dan palung dari gelombang gravitasi yang lewat. (Loeb et al., Arxiv.org) Pengaturan terbaik adalah sepasang jam atom yang dipasang pada pesawat ruang angkasa kembar yang berbagi orbit Bumi mengelilingi matahari. Pesawat ruang angkasa utama juga akan berada di orbit untuk mengoordinasikan sinyal yang berasal dari jam. Pesawat pengangkut jam harus dipisahkan sekitar 93 juta mil — kira-kira jarak antara Bumi dan matahari, atau satu unit astronomi (AU).
"Itu kebetulan yang bagus, karena satu AU kebetulan kira-kira sama dengan setengah panjang gelombang untuk gelombang gravitasi [frekuensi rendah], seperti yang para ilmuwan pikirkan menggabungkan lubang hitam supermasif yang dipancarkan, " kata Loeb. Dengan kata lain, jarak yang tepat untuk merasakan baik puncak maupun palung dari gelombang gravitasi yang melewati tata surya, sehingga jam atom yang diposisikan pada kedua titik ini akan mengalami efek pelebaran waktu terbesar.
Untuk saat ini misi semacam itu tidak ada di meja kerja badan angkasa luar atau proposal anggaran. Tapi Loeb berharap ide itu akan memicu studi yang lebih hati-hati terhadap alternatif eLISA. Proyek eLISA "mendapat manfaat dari diskusi selama beberapa dekade, jadi kita harus membiarkan desain alternatif ini dipelajari setidaknya selama beberapa bulan sebelum menolaknya."
Loeb menambahkan bahwa ada banyak aplikasi praktis dari memiliki jam atom yang lebih tepat di ruang angkasa, seperti akurasi GPS yang lebih baik dan peningkatan komunikasi. Dia berpikir jam kisi optik pertama dapat diluncurkan oleh bisnis untuk tujuan komersial, bukan oleh lembaga pemerintah. "Jika itu terjadi, ilmu apa pun yang kita dapatkan dari itu akan menjadi produk sampingan, " katanya.
Jun Ye, seorang ahli fisika di University of Colorado dan rekan NIST, mengatakan proposal Loeb dan Maoz "membuka front intelektual baru" tentang penggunaan jam atom optik untuk menguji fisika fundamental, termasuk pencarian gelombang gravitasi. "Saya optimis tentang peningkatan lebih lanjut dari jam optik dan penggunaan akhirnya pada aplikasi semacam itu, " kata Ye.
