Di masa lalu, para astronom hanya bisa melihat langit dalam cahaya tampak, menggunakan mata mereka sebagai reseptor. Tetapi bagaimana jika Anda memiliki mata gravitasi? Einstein meramalkan bahwa objek dan peristiwa paling ekstrem di Semesta harus menghasilkan gelombang gravitasi, dan mendistorsi ruang di sekitar mereka. Eksperimen baru yang disebut Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (atau LIGO) dapat melakukan deteksi pertama terhadap gelombang gravitasi ini.
Dengarkan wawancara: Melihat dengan Gravity Eyes (7,9 MB)
Atau berlangganan ke Podcast: universetoday.com/audio.xml
Kain Fraser: Baiklah, jadi apa itu gelombang gravitasi?
Sam Waldman: Jadi gelombang gravitasi dapat dijelaskan jika Anda ingat bahwa massa mendistorsi ruangwaktu. Jadi, jika Anda ingat analogi lembaran yang ditarik kencang dengan bola bowling yang dilemparkan ke tengah lembaran, bengkokkan lembaran itu; di mana bola bowling adalah massa dan lembaran mewakili ruangwaktu. Jika Anda menggerakkan bola bowling maju dan mundur dengan sangat cepat, Anda akan membuat riak di lembaran. Hal yang sama berlaku untuk massa di Alam Semesta kita. Jika Anda menggerakkan bintang bolak-balik dengan sangat cepat, Anda akan membuat riak di ruangwaktu. Dan riak-riak di ruangwaktu itu bisa diamati. Kami menyebutnya gelombang gravitasi.
Fraser: Sekarang jika saya berjalan di sekitar ruangan, apakah itu akan menyebabkan gelombang gravitasi?
Waldman: Baiklah. Sejauh yang kita tahu, gravitasi bekerja di semua skala dan untuk semua massa, tetapi ruangwaktu sangat kaku. Jadi sesuatu seperti 200 pound diri saya bergerak melalui kantor saya tidak akan menyebabkan gelombang gravitasi. Yang diperlukan adalah objek sangat besar yang bergerak sangat cepat. Jadi ketika kita melihat untuk mendeteksi gelombang gravitasi, kita sedang mencari objek skala massa matahari. Secara khusus, kami mencari bintang neutron, yang berada di antara 1,5 dan 3 massa matahari. Kami mencari lubang hitam, hingga beberapa ratus massa matahari. Dan kami mencari benda-benda ini bergerak sangat cepat. Jadi ketika kita berbicara tentang bintang neutron, kita berbicara tentang bintang neutron yang bergerak hampir dengan kecepatan cahaya. Bahkan, itu harus bergetar dengan kecepatan cahaya, tidak bisa hanya bergerak, itu harus bergetar bolak-balik dengan sangat cepat. Jadi, mereka sangat unik, sistem bencana yang sangat masif yang kami cari.
Fraser: Gelombang gravitasi adalah murni teoretis, bukan? Mereka diprediksi oleh Einstein, tetapi mereka belum terlihat?
Waldman: Mereka belum diamati, mereka telah disimpulkan. Ada sistem pulsar yang frekuensinya berputar ke bawah pada tingkat yang konsisten dengan emisi gelombang gravitasi. Itu PSR 1913 + 16. Dan bahwa orbit bintang ini berubah. Itu kesimpulan, tapi tentu saja, itu bukan pengamatan langsung dari gelombang gravitasi. Namun, cukup jelas bahwa mereka harus ada. Jika hukum Einstein ada, jika Relativitas Umum bekerja, dan ia bekerja dengan sangat baik pada skala panjang, maka gelombang gravitasi juga ada. Mereka sangat sulit dilihat.
Fraser: Apa yang diperlukan untuk bisa mendeteksi mereka? Sepertinya itu peristiwa yang sangat dahsyat. Lubang hitam besar yang besar dan bintang-bintang neutron bergerak, mengapa mereka begitu sulit ditemukan?
Waldman: Ada dua komponen untuk itu. Satu hal adalah lubang hitam tidak bertabrakan setiap saat, dan bintang-bintang neutron tidak mengguncang di sembarang tempat tua. Jadi jumlah peristiwa yang dapat menyebabkan gelombang gravitasi yang bisa diamati sebenarnya sangat kecil. Sekarang kita berbicara tentang, misalnya, galaksi Bima Sakti dengan satu peristiwa yang terjadi setiap 30-50 tahun.
Tetapi bagian lain dari persamaan itu adalah bahwa gelombang gravitasi itu sendiri sangat kecil. Jadi mereka memperkenalkan apa yang kita sebut ketegangan; itu perubahan panjang per satuan panjang. Misalnya, jika saya memiliki ukuran satu meter panjangnya, dan gelombang gravitasi akan melumatkan ukuran itu ketika datang. Tetapi level yang akan menipiskan tolok ukur sangat kecil. Jika saya memiliki ukuran 1 meter, itu hanya akan menyebabkan perubahan 10e-21 meter. Jadi itu perubahan yang sangat kecil. Tentu saja, mengamati 10e-21 meter adalah tempat tantangan besar dalam mengamati gelombang gravitasi.
Fraser: Jika Anda mengukur panjang tolok ukur dengan tolok ukur lain, panjang tolok ukur lain itu akan berubah. Saya dapat melihat hal itu sulit dilakukan.
Waldman: Tepat sekali, jadi Anda punya masalah. Cara kita memecahkan masalah ukuran adalah kita memiliki 2 tolok ukur, dan kita bentuk menjadi L. Dan cara kita mengukurnya adalah dengan menggunakan laser. Dan cara kita mengatur tolok ukur kita sebenarnya dalam "L" sepanjang 4 km. Ada 2 lengan, masing-masing sepanjang 4 km. Dan di akhir setiap lengan ada massa uji kuarsa 4 kg tempat kami memantulkan laser. Dan ketika gelombang gravitasi datang melalui detektor berbentuk "L" ini, ia merentangkan satu kaki sementara kaki lainnya menyusut. Dan ia melakukan ini pada katakanlah 100 hertz, dalam frekuensi audio. Jadi jika Anda mendengarkan gerakan massa ini, Anda akan mendengar dengungan 100 hertz. Jadi apa yang kami ukur dengan laser kami adalah panjang lengan diferensial dari interferometer berbentuk "L" yang besar ini. Itu sebabnya LIGO. Ini adalah Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Fraser: Mari kita lihat apakah saya mengerti ini dengan benar. Miliaran tahun lalu, sebuah lubang hitam bertabrakan dengan lubang lainnya dan menghasilkan banyak gelombang gravitasi. Gelombang gravitasi ini melintasi Semesta dan menyapu melewati Bumi. Saat mereka melewati Bumi, mereka memperpanjang salah satu lengan ini dan menyusut yang lain, dan Anda dapat mendeteksi perubahan ini dengan laser yang memantul ke depan dan ke belakang.
Waldman: Benar. Tantangannya, tentu saja, adalah bahwa perubahan panjang sangat kecil. Dalam hal interferometer 4 km kami, perubahan panjang yang kami ukur saat ini adalah 10e-19 meter. Dan untuk menempatkan skala pada itu, diameter inti atom hanya 10e-15 meter. Jadi sensitivitas kita adalah subatomik.
Fraser: Dan peristiwa seperti apa yang harus Anda deteksi pada titik ini?
Waldman: Jadi itu sebenarnya area yang menarik. Analogi yang ingin kita gunakan adalah seperti melihat alam semesta dengan gelombang radio adalah melihat alam semesta dengan teleskop. Hal-hal yang Anda lihat sangat berbeda. Anda sensitif terhadap rezim Semesta yang sama sekali berbeda. Secara khusus, LIGO sensitif terhadap peristiwa bencana ini. Kami mengklasifikasikan acara kami ke dalam 4 kategori besar. Yang pertama kita sebut semburan, dan itu adalah sesuatu seperti pembentukan lubang hitam. Jadi ledakan supernova terjadi, dan begitu banyak materi bergerak begitu cepat sehingga membentuk lubang hitam, tetapi Anda tidak tahu seperti apa bentuk gelombang gravitasi. Yang Anda tahu adalah ada gelombang gravitasi. Jadi ini adalah hal-hal yang terjadi dengan sangat cepat. Mereka bertahan paling lama 100 milidetik, dan muncul dari pembentukan lubang hitam.
Peristiwa lain yang kita lihat adalah ketika dua benda saling mengorbit, misalnya dua bintang neutron yang saling mengorbit. Akhirnya diameter orbit itu meluruh. Bintang-bintang neutron akan bergabung, mereka akan jatuh ke satu sama lain dan membentuk lubang hitam. Dan untuk beberapa orbit terakhir, bintang-bintang neutron itu (ingatlah bahwa benda-benda itu memiliki berat 1,5 hingga 3 massa matahari), bergerak dengan kecepatan sangat besar dari kecepatan cahaya; katakanlah 10%, 20% dari kecepatan cahaya. Dan gerakan itu adalah penghasil gelombang gravitasi yang sangat efisien. Jadi itulah yang kami gunakan sebagai lilin standar kami. Itu yang kami pikir kami tahu ada; kami tahu mereka ada di luar sana, tetapi kami tidak yakin berapa banyak dari mereka yang pergi sekaligus. Kami tidak yakin seperti apa bentuk bintang neutron dalam gelombang radio, atau sinar-x, dalam radiasi optik. Jadi agak sulit untuk menghitung seberapa sering Anda akan melihat in-spiral atau supernova.
Fraser: Sekarang apakah Anda dapat mendeteksi arahnya?
Waldman: Kami memiliki dua interferometer. Sebenarnya kami memiliki dua situs dan tiga interferometer. Satu interferometer ada di Livingston Louisiana, yang berada di utara New Orleans. Dan interferometer kami yang lain adalah di negara bagian Washington bagian timur. Karena kami memiliki dua interferometer, kami dapat melakukan triangulasi di langit. Tetapi ada beberapa ketidakpastian di mana tepatnya sumber itu berada. Ada kolaborasi lain di dunia yang kami kerjakan dengan cukup dekat di Jerman, Italia, dan Jepang, dan mereka juga memiliki detektor. Jadi jika beberapa detektor di beberapa situs melihat gelombang gravitasi, maka kita dapat melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam pelokalan. Harapannya adalah bahwa kita melihat gelombang gravitasi dan kita tahu dari mana asalnya. Kami kemudian memberi tahu rekan astronom radio dan rekan astronom sinar-X, dan rekan astronom optik untuk melihat bagian langit itu.
Fraser: Ada beberapa teleskop besar baru di cakrawala; sangat besar dan sangat besar, dan Magellan ... teleskop besar turun dari pipa dengan anggaran yang cukup besar untuk dihabiskan. Katakanlah Anda dapat menemukan gelombang gravitasi dengan andal, hampir seperti itu menambah spektrum baru untuk deteksi kami. Jika anggaran besar dimasukkan ke dalam beberapa detektor gelombang gravitasi ini, menurut Anda untuk apa mereka digunakan?
Waldman: Ya, seperti yang saya katakan sebelumnya, ini seperti revolusi dalam astronomi ketika teleskop radio pertama kali online. Kami melihat kelas fenomena yang berbeda secara fundamental. Saya harus mengatakan bahwa laboratorium LIGO adalah laboratorium yang cukup besar. Kami memiliki lebih dari 150 ilmuwan yang bekerja, jadi ini adalah kolaborasi besar. Dan kami berharap dapat bekerja sama dengan semua astronom optik dan radio saat kami maju. Tapi agak sulit untuk memprediksi jalan apa yang akan diambil sains. Saya pikir jika Anda berbicara dengan banyak relativis umum, fitur paling menarik dari gelombang gravitasi adalah kita melakukan sesuatu yang disebut Relativitas Umum Bidang Kuat. Itu semua Relativitas Umum yang dapat Anda ukur dengan melihat bintang dan galaksi sangat lemah. Tidak banyak massa yang terlibat, itu tidak bergerak sangat cepat. Jaraknya sangat jauh. Padahal, ketika kita berbicara tentang tabrakan sebuah lubang hitam dan bintang neutron, yang paling terakhir, ketika bintang neutron jatuh ke dalam lubang hitam, sangat keras dan menyelidiki ranah relativitas umum yang tidak terlalu dapat diakses dengan teleskop normal, dengan radio, dengan x-ray. Jadi harapannya adalah ada beberapa fisika yang secara fundamental baru dan menarik di sana. Saya pikir itulah yang terutama memotivasi kami, Anda bisa menyebutnya, bersenang-senang dengan Relativitas Umum.
Fraser: Dan kapan Anda berharap mendapatkan deteksi pertama Anda.
Dr. Waldman: Jadi interferometer LIGO - ketiga interferometer - yang dioperasikan LIGO semuanya berjalan dengan sensitivitas desain, dan kami saat ini berada di tengah-tengah lari S5 kami; lari ilmu kelima kami, yang merupakan jangka panjang tahun. Yang kami lakukan selama satu tahun adalah mencoba mencari gelombang gravitasi. Seperti banyak hal dalam astronomi, sebagian besar menunggu dan melihat. Jika supernova tidak meledak, maka kita tidak akan melihatnya, tentu saja. Jadi kami harus online selama mungkin. Kemungkinan mengamati suatu peristiwa, seperti peristiwa supernova, diperkirakan berada di wilayah - pada sensitivitas kita saat ini - diperkirakan kita akan melihatnya setiap 10-20 tahun. Ada berbagai macam. Dalam literatur, ada orang-orang yang mengklaim bahwa kami akan melihat beberapa kali per tahun, dan kemudian ada orang-orang yang mengklaim bahwa kami tidak akan pernah melihat sensitivitas kami. Dan jalan tengah yang konservatif adalah sekali setiap 10 tahun. Di sisi lain, kami meningkatkan detektor kami segera setelah proses ini selesai. Dan kami meningkatkan sensitivitas dengan faktor 2, yang akan meningkatkan tingkat deteksi kami dengan faktor 2 potong dadu. Karena sensitivitas adalah jari-jari, dan kami menyelidiki volume di ruang angkasa. Dengan faktor 8-10 dalam tingkat deteksi, kita harus melihat suatu peristiwa setahun sekali atau lebih. Dan kemudian setelah itu, kami meningkatkan ke apa yang disebut LIGO Lanjutan, yang merupakan faktor 10 peningkatan sensitivitas. Dalam hal ini kita hampir pasti akan melihat gelombang gravitasi sekali setiap hari atau lebih; setiap 2-3 hari. Instrumen itu dirancang untuk menjadi alat yang sangat nyata. Kami ingin melakukan astronomi gravitasi; untuk melihat acara setiap beberapa hari. Ini seperti meluncurkan satelit Swift. Begitu Swift naik, kami mulai melihat semburan sinar gamma sepanjang waktu, dan LIGO Lanjutan akan serupa.
