Albert Einstein menghipotesiskan riak-riak ini dalam jalinan ruang-waktu seabad yang lalu. Sekarang para ilmuwan telah mendeteksi mereka untuk ketiga kalinya, dari tabrakan lubang hitam yang jauh.
Konsepsi artis tentang dua lubang hitam yang menyatu, berputar dengan cara yang tidak selaras. Gambar melalui LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet).
Oleh Sean McWilliams, Universitas Virginia Barat
Untuk ketiga kalinya dalam satu setengah tahun, Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) telah mendeteksi gelombang gravitasi. Dihipotesiskan oleh Einstein seabad yang lalu, identifikasi riak-riak ini dalam ruang-waktu - untuk ketiga kalinya, tidak kurang - memenuhi janji bidang astronomi yang telah memikat para ilmuwan selama beberapa dekade, tetapi selalu tampak hanya terletak di luar jangkauan kita.
Sebagai ahli astrofisika gelombang gravitasi dan anggota LIGO Scientific Collaboration, saya secara alami senang melihat visi begitu banyak dari kita menjadi kenyataan. Tapi saya terbiasa menemukan karya saya sendiri lebih menarik dan mengasyikkan daripada yang dilakukan orang lain, sehingga sejauh mana seluruh dunia tampaknya terpesona oleh pencapaian ini datang sebagai sesuatu yang mengejutkan. Kegembiraan memang layak, meskipun. Dengan mendeteksi gelombang gravitasi ini untuk pertama kalinya, kami tidak hanya secara langsung memverifikasi prediksi utama teori relativitas umum Einstein dengan cara yang meyakinkan dan spektakuler, tetapi kami telah membuka jendela yang sama sekali baru yang akan merevolusi pemahaman kita tentang kosmos .
Penemuan-penemuan ini telah memengaruhi pemahaman kita tentang alam semesta. Dan LIGO baru saja mulai.
Tuning ke alam semesta
Pada intinya, cara baru memahami alam semesta ini berasal dari kemampuan baru kita untuk mendengar soundtrack-nya. Gelombang gravitasi sebenarnya bukan gelombang suara, tetapi analoginya tepat. Kedua jenis gelombang membawa informasi dengan cara yang sama, dan keduanya sepenuhnya fenomena independen dari cahaya.
Gelombang gravitasi adalah riak dalam ruang-waktu yang merambat ke luar dari proses yang sangat keras dan energetik di ruang angkasa. Mereka dapat dihasilkan oleh objek yang tidak bersinar, dan mereka dapat melakukan perjalanan melalui debu, materi atau apa pun, tanpa diserap atau didistorsi.Mereka membawa informasi unik tentang sumber mereka yang mencapai kita dalam keadaan murni, memberi kita rasa sebenarnya dari sumber yang tidak dapat diperoleh dengan cara lain apa pun.
Relativitas umum memberi tahu kita, antara lain, bahwa beberapa bintang dapat menjadi sangat padat sehingga mereka menutup diri dari sisa alam semesta. Benda luar biasa ini disebut lubang hitam. Relativitas umum juga meramalkan bahwa ketika pasangan lubang hitam mengorbit di sekitar satu sama lain dalam sistem biner, mereka membangkitkan ruang-waktu, tatanan kosmos. Gangguan ruang-waktu inilah yang melintasi energi alam semesta dalam bentuk gelombang gravitasi.
Kehilangan energi itu menyebabkan biner semakin mengencang, hingga akhirnya dua lubang hitam itu hancur bersama dan membentuk satu lubang hitam tunggal. Tabrakan spektakuler ini menghasilkan lebih banyak kekuatan dalam gelombang gravitasi daripada yang dipancarkan sebagai cahaya oleh semua bintang di alam semesta yang digabungkan. Peristiwa bencana ini hanya berlangsung puluhan milidetik, tetapi selama waktu itu, mereka adalah fenomena paling kuat sejak Big Bang.
Gelombang ini membawa informasi tentang lubang hitam yang tidak mungkin diperoleh dengan cara lain, karena teleskop tidak dapat melihat objek yang tidak memancarkan cahaya. Untuk setiap peristiwa, kami dapat mengukur massa lubang hitam, tingkat rotasi atau "putaran," dan detail tentang lokasi dan orientasinya dengan berbagai tingkat kepastian. Informasi ini memungkinkan kita untuk belajar bagaimana benda-benda ini terbentuk dan berevolusi sepanjang waktu kosmik.
Sementara kami sebelumnya memiliki bukti kuat untuk keberadaan lubang hitam berdasarkan efek gravitasi mereka pada bintang dan gas di sekitarnya, informasi rinci dari gelombang gravitasi sangat berharga untuk mempelajari tentang asal-usul peristiwa spektakuler ini.
Tampilan udara dari detektor gelombang gravitasi LIGO di Livingston, Louisiana. Gambar melalui Flickr / LIGO.
Mendeteksi fluktuasi terkecil
Untuk mendeteksi sinyal yang sangat sunyi ini, para peneliti membangun dua instrumen LIGO, satu di Hanford, Washington dan 3.000 mil jauhnya di Livingston, Louisiana. Mereka dirancang untuk memanfaatkan efek unik yang dimiliki gelombang gravitasi pada apa pun yang mereka temui. Ketika gelombang gravitasi lewat, mereka mengubah jarak antar benda. Ada gelombang gravitasi melanda Anda sekarang, memaksa kepala, kaki, dan segala sesuatu di antaranya bergerak bolak-balik dengan cara yang dapat diprediksi - tetapi tak terlihat -.
Anda tidak dapat merasakan efek ini, atau bahkan melihatnya dengan mikroskop, karena perubahannya sangat kecil. Gelombang gravitasi yang dapat kita deteksi dengan LIGO mengubah jarak antara setiap ujung detektor sepanjang 4 kilometer dengan hanya 10? ¹? meter. Seberapa kecil ini? Seribu kali lebih kecil dari ukuran proton - itulah sebabnya kita tidak bisa berharap untuk melihatnya bahkan dengan mikroskop.
Ilmuwan LIGO mengerjakan suspensi optiknya. Gambar melalui Laboratorium LIPO.
Untuk mengukur jarak semenit, LIGO menggunakan teknik yang disebut "interferometri." Para peneliti membagi cahaya dari satu laser menjadi dua bagian. Setiap bagian kemudian berjalan turun satu dari dua lengan tegak lurus yang masing-masing 2,5 mil panjangnya. Akhirnya, keduanya bergabung kembali bersama dan diizinkan untuk saling mengganggu. Instrumen ini dikalibrasi dengan hati-hati sehingga, jika tidak ada gelombang gravitasi, gangguan laser menghasilkan pembatalan yang hampir sempurna - tidak ada cahaya yang keluar dari interferometer.
Namun, gelombang gravitasi yang lewat akan meregangkan satu lengan pada saat yang sama dengan meremas lengan lainnya. Dengan panjang relatif lengan yang diubah, gangguan sinar laser tidak akan lagi sempurna. Perubahan kecil dalam jumlah interferensi inilah yang sebenarnya diukur oleh LIGO Lanjutan, dan pengukuran itu memberi tahu kita seperti apa bentuk terperinci dari gelombang gravitasi yang lewat.
LIGO163 KB (unduh)
Semua gelombang gravitasi memiliki bentuk "kicauan," di mana baik amplitudo (mirip dengan kenyaringan) dan frekuensi, atau nada, dari sinyal meningkat seiring waktu. Namun, karakteristik sumber dikodekan dalam detail yang tepat dari kicauan ini dan bagaimana ia berkembang seiring waktu.
Bentuk gelombang gravitasi yang kita amati, pada gilirannya, dapat memberi tahu kita perincian tentang sumber yang tidak dapat diukur dengan cara lain apa pun. Dengan tiga deteksi percaya diri pertama oleh Advanced LIGO, kami telah menemukan bahwa lubang hitam lebih umum daripada yang pernah kami harapkan, dan bahwa varietas paling umum, yang terbentuk langsung dari runtuhnya bintang masif, dapat lebih masif daripada yang sebelumnya Pikiran itu mungkin. Semua informasi ini membantu kita memahami bagaimana bintang masif berevolusi dan mati.
Tiga deteksi dikonfirmasi oleh LIGO (GW150914, GW151226, GW170104), dan satu deteksi kepercayaan rendah (LVT151012), menunjukkan populasi lubang hitam biner massa-bintang yang, sekali digabung, lebih besar dari 20 massa matahari - lebih besar dari apa yang ada. dikenal sebelumnya. Gambar melalui LIGO / Caltech / Sonma State (Aurore Simonnet).
Lubang hitam menjadi kurang dari kotak hitam
Peristiwa terbaru ini, yang kami deteksi pada 4 Januari 2017, adalah sumber paling jauh yang kami amati sejauh ini. Karena gelombang gravitasi bergerak dengan kecepatan cahaya, ketika kita melihat benda yang sangat jauh, kita juga melihat ke masa lalu. Peristiwa terbaru ini juga merupakan sumber gelombang gravitasi paling purba yang telah kami deteksi sejauh ini, telah terjadi lebih dari dua miliar tahun yang lalu. Saat itu, alam semesta itu sendiri 20 persen lebih kecil dari sekarang, dan kehidupan multiseluler belum muncul di Bumi.
Massa lubang hitam terakhir yang tertinggal setelah tabrakan terbaru ini adalah 50 kali massa matahari kita. Sebelum peristiwa pertama yang terdeteksi, yang memiliki berat 60 kali massa matahari, para astronom tidak berpikir lubang hitam sebesar itu dapat terbentuk dengan cara ini. Sementara peristiwa kedua hanya 20 massa matahari, mendeteksi peristiwa yang sangat besar tambahan ini menunjukkan bahwa sistem seperti itu tidak hanya ada, tetapi mungkin relatif umum.
Selain massa mereka, lubang hitam juga bisa berputar, dan putarannya memengaruhi bentuk emisi gelombang-gravitasi mereka. Efek putaran lebih sulit untuk diukur, tetapi peristiwa terbaru ini menunjukkan bukti tidak hanya untuk putaran, tetapi berpotensi untuk putaran yang tidak berorientasi di sekitar poros yang sama dengan orbit biner. Jika kasus misalignment seperti itu dapat dibuat lebih kuat dengan mengamati peristiwa di masa depan, itu akan memiliki implikasi yang signifikan bagi pemahaman kita tentang bagaimana pasangan lubang hitam ini terbentuk.
Di tahun-tahun mendatang, kita akan memiliki lebih banyak instrumen seperti LIGO mendengarkan gelombang gravitasi di Italia, di Jepang dan di India, belajar lebih banyak lagi tentang sumber-sumber ini. Rekan-rekan saya dan saya masih menunggu-nunggu pendeteksian pertama biner yang mengandung setidaknya satu bintang neutron - sejenis bintang padat yang tidak cukup masif untuk runtuh sampai ke lubang hitam.
Kebanyakan astronom meramalkan bahwa pasangan bintang neutron akan diamati sebelum pasangan lubang hitam, sehingga ketidakhadiran mereka yang terus menerus akan menghadirkan tantangan bagi para ahli teori. Deteksi akhirnya mereka akan memfasilitasi sejumlah kemungkinan baru untuk penemuan, termasuk prospek pemahaman yang lebih baik dari keadaan materi yang sangat padat, dan berpotensi mengamati tanda tangan cahaya yang unik menggunakan teleskop konvensional dari sumber yang sama dengan sinyal gelombang gravitasi.
Kami juga berharap untuk mendeteksi gelombang gravitasi dalam beberapa tahun mendatang dari luar angkasa, menggunakan jam alami yang sangat tepat yang disebut pulsar, yang meledakkan radiasi dengan cara kami secara berkala. Akhirnya kami berencana untuk menempatkan interferometer yang sangat besar di orbit, di mana mereka dapat menghindari gemuruh bumi yang terus-menerus, yang merupakan sumber kebisingan terbatas untuk detektor LIGO Lanjutan.
Sean McWilliams, Asisten Profesor Fisika dan Astronomi, Universitas Virginia Barat
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.