Pada bulan Februari 2016, para ilmuwan yang bekerja untuk Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) membuat sejarah ketika mereka mengumumkan deteksi pertama gelombang gravitasi. Sejak saat itu, beberapa deteksi telah terjadi dan kolaborasi ilmiah antara observatorium - seperti Advanced LIGO dan Advanced Virgo - memungkinkan tingkat sensitivitas dan pembagian data yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Tidak hanya deteksi gelombang gravitasi yang pertama kali merupakan pencapaian bersejarah, itu juga mengantar era baru astrofisika. Maka tidak heran mengapa tiga peneliti yang menjadi pusat deteksi pertama telah dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 2017. Hadiah itu diberikan bersama kepada profesor Caltech emeritus Kip S. Barish, bersama dengan profesor MIT emeritus Rainer Weiss.
Sederhananya, gelombang gravitasi adalah riak dalam ruang-waktu yang dibentuk oleh peristiwa-peristiwa astronomi besar - seperti penggabungan sepasang lubang hitam biner. Mereka pertama kali diprediksi lebih dari seabad yang lalu oleh Teori Relativitas Umum Einstein, yang mengindikasikan bahwa gangguan besar-besaran akan mengubah struktur ruang-waktu. Namun, tidak sampai tahun-tahun terakhir ini bukti dari gelombang ini diamati untuk pertama kalinya.
Sinyal pertama terdeteksi oleh observatorium kembar LIGO - di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana, masing-masing - dan ditelusuri ke merger mol hitam 1,3 miliar tahun cahaya. Sampai saat ini, empat deteksi telah dilakukan, yang semuanya disebabkan oleh merger pasangan lubang hitam. Ini terjadi pada tanggal 26 Desember 2015, 4 Januari 2017, dan 14 Agustus 2017, yang terakhir terdeteksi oleh LIGO dan detektor gelombang gravitasi Eropa Virgo.
Untuk peran yang mereka mainkan dalam pencapaian ini, setengah dari hadiah diberikan bersama kepada Caltech Barry C. Barish - Ronald dan Maxine Linde Profesor Fisika, Emeritus - dan Kip S. Thorne, Richard P. Feynman Profesor Fisika Teoritis , Emeritus. Setengah lainnya diberikan kepada Rainer Weiss, Profesor Fisika, Emeritus, di Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Seperti yang dikatakan oleh presiden Caltech Thomas F. Rosenbaum - Presiden Sonja dan William Davidow serta Profesor Fisika - dalam sebuah pernyataan pers Caltech baru-baru ini:
“Saya senang dan merasa terhormat untuk memberi selamat kepada Kip dan Barry, serta Rai Weiss dari MIT, atas penghargaan pagi ini pada Hadiah Nobel Fisika 2017. Pengamatan langsung pertama dari gelombang gravitasi oleh LIGO adalah demonstrasi luar biasa dari visi ilmiah dan kegigihan. Melalui empat dekade pengembangan instrumen yang sangat sensitif — mendorong kapasitas imajinasi kita — kita sekarang dapat melihat proses kosmik yang sebelumnya tidak terdeteksi. Ini benar-benar awal dari era baru dalam astrofisika. ”
Prestasi ini jauh lebih mengesankan mengingat bahwa Albert Einstein, yang pertama kali meramalkan keberadaan mereka, percaya bahwa gelombang gravitasi akan terlalu lemah untuk dipelajari. Namun, pada 1960-an, kemajuan dalam teknologi laser dan wawasan baru tentang kemungkinan sumber astrofisika membuat para ilmuwan menyimpulkan bahwa gelombang-gelombang ini sebenarnya dapat dideteksi.
Detektor gelombang gravitasi pertama dibangun oleh Joseph Weber, seorang astrofisika dari University of Maryland. Detektornya, yang dibangun pada 1960-an, terdiri dari silinder aluminium besar yang akan didorong untuk bergetar dengan melewati gelombang gravitasi. Upaya-upaya lain diikuti, tetapi semua terbukti tidak berhasil; mendorong pergeseran ke arah jenis detektor baru yang melibatkan interferometri.
Salah satu instrumen tersebut dikembangkan oleh Weiss di MIT, yang mengandalkan teknik yang dikenal sebagai laser interferometri. Dalam instrumen semacam ini, gelombang gravitasi diukur menggunakan cermin yang terpisah dan berjarak jauh yang memantulkan laser dari jarak jauh. Ketika gelombang gravitasi menyebabkan ruang meregang dan memencet dengan jumlah yang sangat kecil, itu menyebabkan cahaya yang dipantulkan di dalam detektor bergeser secara perlahan.
Pada saat yang sama, Thorne - bersama dengan murid-muridnya dan dokumenter di Caltech - mulai bekerja untuk meningkatkan teori gelombang gravitasi. Ini termasuk perkiraan baru tentang kekuatan dan frekuensi gelombang yang dihasilkan oleh benda-benda seperti lubang hitam, bintang neutron dan supernova. Ini memuncak dalam sebuah makalah 1972 yang diterbitkan bersama Throne dengan muridnya, Bill Press, yang merangkum visi mereka tentang bagaimana gelombang gravitasi dapat dipelajari.
Pada tahun yang sama, Weiss juga menerbitkan analisis rinci interferometer dan potensi mereka untuk penelitian astrofisika. Dalam makalah ini, ia menyatakan bahwa operasi skala yang lebih besar - berukuran beberapa km atau lebih - mungkin memiliki kesempatan untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Dia juga mengidentifikasi tantangan utama untuk deteksi (seperti getaran dari Bumi) dan mengusulkan solusi yang mungkin untuk melawannya.
Pada tahun 1975, Weiss mengundang Thorne untuk berbicara pada pertemuan komite NASA di Washington, D.C., dan keduanya menghabiskan sepanjang malam berbicara tentang eksperimen gravitasi. Sebagai hasil dari percakapan mereka, Thorne kembali ke Calteh dan mengusulkan untuk membuat kelompok gravitasi eksperimental, yang akan bekerja pada interferometer secara paralel dengan para peneliti di MIT, Universitas Glasgow dan Universitas Garching (di mana percobaan serupa sedang dilakukan).
Pengembangan pada interferometer pertama dimulai tidak lama kemudian di Caltech, yang mengarah pada pembuatan prototipe 40 meter (130 kaki) untuk menguji teori Weiss tentang gelombang gravitasi. Pada tahun 1984, semua pekerjaan yang dilakukan oleh masing-masing lembaga ini bersatu. Caltech dan MIT, dengan dukungan National Science Foundation (NSF) membentuk kolaborasi LIGO dan mulai mengerjakan dua interferometernya di Hanford dan Livingston.
Pembangunan LIGO adalah tantangan besar, baik secara logistik maupun teknis. Namun, banyak hal sangat terbantu ketika Barry Barish (waktu itu seorang fisikawan partikel Caltech) menjadi Investigator Utama (PI) LIGO pada tahun 1994. Setelah satu dekade upaya terhenti, ia juga diangkat menjadi direktur LIGO dan mengembalikan konstruksinya ke jalur yang benar. . Dia juga memperluas tim peneliti dan mengembangkan rencana kerja terperinci untuk NSF.
Seperti yang ditunjukkan Barish, pekerjaan yang dilakukannya dengan LIGO adalah mimpi yang menjadi kenyataan:
“Saya selalu ingin menjadi seorang ahli fisika eksperimental dan tertarik pada gagasan untuk menggunakan kemajuan teknologi yang berkelanjutan untuk melakukan eksperimen sains mendasar yang tidak dapat dilakukan sebaliknya. LIGO adalah contoh utama dari apa yang tidak bisa dilakukan sebelumnya. Meskipun itu adalah proyek berskala sangat besar, tantangannya sangat berbeda dari cara kami membangun jembatan atau melaksanakan proyek-proyek teknik besar lainnya. Bagi LIGO, tantangannya adalah bagaimana mengembangkan dan merancang instrumentasi canggih dalam skala besar, bahkan ketika proyek berkembang. ”
Pada tahun 1999, konstruksi telah selesai di observatorium LIGO dan pada tahun 2002, LIGO mulai mendapatkan data. Pada 2008, pekerjaan dimulai untuk meningkatkan detektor aslinya, yang dikenal sebagai Proyek LIGO Lanjutan. Proses mengubah prototipe 40-m menjadi interferometer LIGO saat ini sejauh 4 km (2,5 mil) adalah pekerjaan besar, dan karenanya perlu dipecah menjadi langkah-langkah.
Langkah pertama terjadi antara 2002 dan 2010, ketika tim membangun dan menguji interferometer awal. Meskipun ini tidak menghasilkan deteksi apa pun, itu menunjukkan konsep dasar observatorium dan memecahkan banyak kendala teknis. Fase berikutnya - disebut LIGO Lanjutan, yang berlangsung antara 2010 dan 2015 - memungkinkan detektor untuk mencapai tingkat sensitivitas baru.
Peningkatan ini, yang juga terjadi di bawah kepemimpinan Barish, memungkinkan pengembangan beberapa teknologi utama yang pada akhirnya memungkinkan deteksi pertama. Seperti yang dijelaskan Barish:
“Pada fase awal LIGO, untuk mengisolasi detektor dari gerakan bumi, kami menggunakan sistem suspensi yang terdiri dari cermin uji massa yang digantung dengan kawat piano dan menggunakan serangkaian peredam kejut pasif multi-tahap, mirip dengan yang di dalam mobil Anda. Kami tahu ini mungkin tidak akan cukup baik untuk mendeteksi gelombang gravitasi, jadi kami, di Laboratorium LIGO, mengembangkan program ambisius untuk Advanced LIGO yang menggabungkan sistem suspensi baru untuk menstabilkan cermin dan sistem isolasi seismik aktif untuk merasakan dan mengoreksi gerakan tanah. "
Mengingat bagaimana pusat Thorne, Weiss dan Barish mempelajari gelombang gravitasi, ketiganya diakui sebagai penerima Hadiah Nobel Fisika tahun ini. Baik Thorne dan Barish diberitahu bahwa mereka telah menang pada dini hari pada tanggal 3 Oktober 2017. Menanggapi berita tersebut, kedua ilmuwan yakin untuk mengakui upaya LIGO yang sedang berlangsung, tim sains yang telah berkontribusi untuk itu, dan upaya Caltech dan MIT dalam menciptakan dan memelihara observatorium.
“Hadiah itu seharusnya menjadi milik ratusan ilmuwan dan insinyur LIGO yang membangun dan menyempurnakan interferometer gelombang gravitasi kompleks kami, dan ratusan ilmuwan LIGO dan Virgo yang menemukan sinyal gelombang gravitasi dalam data bising LIGO dan mengekstraksi informasi gelombang, "Kata Thorne. "Sangat disayangkan bahwa, karena undang-undang Yayasan Nobel, hadiah harus diberikan kepada tidak lebih dari tiga orang, ketika penemuan luar biasa kami adalah karya lebih dari seribu."
"Saya merasa rendah hati dan merasa terhormat untuk menerima penghargaan ini," kata Barish. “Deteksi gelombang gravitasi benar-benar merupakan kemenangan dari fisika eksperimental skala besar modern. Selama beberapa dekade, tim kami di Caltech dan MIT mengembangkan LIGO menjadi perangkat yang sangat sensitif yang membuat penemuan. Ketika sinyal mencapai LIGO dari tabrakan dua lubang hitam bintang yang terjadi 1,3 miliar tahun yang lalu, Kolaborasi LIGO Scientific yang kuat 1.000 ilmuwan mampu mengidentifikasi acara kandidat dalam hitungan menit dan melakukan analisis terperinci yang meyakinkan menunjukkan bahwa gelombang gravitasi ada."
Ke depan, juga cukup jelas bahwa Advanved LIGO, Advanced Virgo dan observatorium gelombang gravitasi lainnya di seluruh dunia baru saja dimulai. Selain mendeteksi empat peristiwa terpisah, penelitian terbaru menunjukkan bahwa deteksi gelombang gravitasi juga dapat membuka perbatasan baru untuk penelitian astronomi dan kosmologis.
Sebagai contoh, sebuah penelitian baru-baru ini oleh tim peneliti dari Monash Center for Astrophysics mengusulkan konsep teoritis yang dikenal sebagai 'memori yatim piatu'. Menurut penelitian mereka, gelombang gravitasi tidak hanya menyebabkan gelombang dalam ruang-waktu, tetapi meninggalkan riak permanen dalam strukturnya. Dengan mempelajari "anak yatim" dari peristiwa masa lalu, gelombang gravitasi dapat dipelajari baik ketika mereka mencapai Bumi dan lama setelah mereka berlalu.
Selain itu, sebuah penelitian dirilis pada Agustus oleh tim astronom dari Center of Cosmology di University of California Irvine yang mengindikasikan bahwa merger lubang hitam jauh lebih umum daripada yang kita duga. Setelah melakukan survei kosmos yang dimaksudkan untuk menghitung dan mengkategorikan lubang hitam, tim UCI menentukan bahwa mungkin ada sebanyak 100 juta lubang hitam di galaksi.
Studi terbaru lainnya menunjukkan bahwa jaringan detektor gelombang gravitasi Advanced LIGO, GEO 600, dan Virgo juga dapat digunakan untuk mendeteksi gelombang gravitasi yang diciptakan oleh supernova. Dengan mendeteksi gelombang yang diciptakan oleh bintang yang meledak di dekat akhir masa hidupnya, para astronom dapat melihat di dalam hati bintang yang runtuh untuk pertama kalinya dan menyelidiki mekanisme pembentukan lubang hitam.
Hadiah Nobel dalam Fisika adalah salah satu penghargaan tertinggi yang dapat diberikan kepada seorang ilmuwan. Tetapi yang lebih besar dari itu adalah pengetahuan bahwa hal-hal besar dihasilkan dari pekerjaan sendiri. Puluhan tahun setelah Thorne, Weiss dan Barish mulai mengusulkan studi gelombang gravitasi dan bekerja menuju penciptaan detektor, para ilmuwan dari seluruh dunia membuat penemuan mendalam yang merevolusi cara kita berpikir tentang Semesta.
Dan seperti yang pasti akan dibuktikan oleh para ilmuwan ini, apa yang telah kita lihat sejauh ini hanyalah puncak gunung es. Orang dapat membayangkan bahwa di suatu tempat, Einstein juga berseri-seri dengan bangga. Seperti penelitian lain yang berkaitan dengan teorinya tentang Relativitas Umum, studi tentang gelombang gravitasi menunjukkan bahwa bahkan setelah satu abad, ramalannya masih menggemparkan!
Dan pastikan untuk melihat video Konferensi Pers Caltech ini di mana Barish dan Thorn merasa terhormat atas pencapaian mereka:
