Pada bulan Februari 2016, para ilmuwan yang bekerja untuk Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) melakukan deteksi gelombang gravitasi yang pertama kali. Sejak saat itu, beberapa deteksi telah terjadi, sebagian besar berkat peningkatan instrumen dan tingkat kolaborasi yang lebih besar antara observatorium. Ke depan, mungkin saja bahwa misi yang tidak dirancang untuk tujuan ini juga bisa "cahaya bulan" sebagai pendeteksi gelombang gravitasi.
Sebagai contoh, pesawat ruang angkasa Gaia - yang sibuk membuat peta 3D paling detail dari Bima Sakti - juga bisa menjadi instrumen dalam penelitian gelombang gravitasi. Itulah yang diklaim oleh tim astronom dari Universitas Cambridge baru-baru ini. Menurut penelitian mereka, satelit Gaia memiliki sensitivitas yang diperlukan untuk mempelajari gelombang gravitasi frekuensi sangat rendah yang dihasilkan oleh merger lubang hitam supermasif.
Studi yang berjudul "Metode Pencarian Astrometri untuk Sumber Gelombang Gravitasi Individu dengan Gaia", baru-baru ini muncul di Surat Tinjauan Fisik. Dipimpin oleh Christopher J. Moore, seorang fisikawan teoretis dari Pusat Ilmu Matematika di Universitas Cambridge, tim tersebut termasuk anggota dari Institut Astronomi Cambridge, Laboratorium Cavendish, dan Institut Kosmologi Kavli.
Ringkasnya, gelombang gravitasi (GW) adalah riak dalam ruang-waktu yang diciptakan oleh peristiwa kekerasan, seperti merger lubang hitam, tabrakan antara bintang-bintang neutron, dan bahkan Big Bang. Awalnya diprediksi oleh Teori Relativitas Umum Einstein, observatorium seperti LIGO dan Advanced Virgo mendeteksi gelombang ini dengan mengukur cara ruang-waktu tertekuk dan terjepit dalam menanggapi GW yang melewati Bumi.
Namun, melewati GW juga akan menyebabkan Bumi berosilasi di lokasi sehubungan dengan bintang-bintang. Akibatnya, teleskop ruang angkasa yang mengorbit (seperti Gaia), akan dapat menangkap ini dengan mencatat perubahan sementara pada posisi bintang yang jauh. Diluncurkan pada 2013, observatorium Gaia telah menghabiskan beberapa tahun terakhir melakukan pengamatan presisi tinggi dari posisi bintang di Galaxy kita (alias astrometri).
Dalam hal ini, Gaia akan mencari perpindahan kecil di bidang besar bintang yang dipantau untuk menentukan apakah gelombang gravitasi telah melewati lingkungan Bumi. Untuk menyelidiki apakah Gaia memenuhi tugas atau tidak, Moore dan rekannya melakukan perhitungan untuk menentukan apakah teleskop ruang angkasa Gaia memiliki kepekaan yang diperlukan untuk mendeteksi frekuensi rendah GW.
Untuk tujuan ini, Moore dan rekan-rekannya mensimulasikan gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh lubang hitam supermasif biner - yaitu dua SMBH yang mengorbit satu sama lain. Apa yang mereka temukan adalah bahwa dengan mengompresi set data dengan faktor lebih dari 106 (mengukur 100.000 bintang dan bukannya satu miliar pada satu waktu), GW dapat dipulihkan dari data Gaia dengan hilangnya sensitivitas hanya 1%.
Metode ini akan mirip dengan yang digunakan dalam Pulsar Timing Array, di mana satu set pulsar milidetik diperiksa untuk menentukan apakah gelombang gravitasi memodifikasi frekuensi pulsa mereka. Namun, dalam kasus ini, bintang-bintang sedang dipantau untuk melihat apakah mereka berosilasi dengan pola karakteristik, daripada berdenyut. Dengan melihat bidang yang terdiri dari 100.000 bintang sekaligus, para peneliti akan dapat mendeteksi gerakan nyata yang diinduksi (lihat gambar di atas).
Karena itu, rilis penuh data Gaia (dijadwalkan untuk awal 2020-an) kemungkinan menjadi peluang besar bagi mereka yang mencari sinyal GW. Seperti yang dijelaskan Moore dalam Fisika APS jumpa pers:
“Gaia akan membuat mengukur efek ini menjadi prospek yang realistis untuk pertama kalinya. Banyak faktor yang berkontribusi terhadap kelayakan pendekatan, termasuk ketepatan dan durasi panjang pengukuran astrometri. Gaia akan mengamati sekitar satu miliar bintang selama 5-10 tahun, menempatkan masing-masing dari mereka setidaknya 80 kali selama periode itu. Mengamati begitu banyak bintang adalah kemajuan besar yang disediakan oleh Gaia. ”
Menarik juga untuk dicatat bahwa potensi deteksi GW adalah sesuatu yang dikenali para peneliti ketika Gaia masih dirancang. Salah satu orang tersebut adalah Sergei A. Klioner, seorang peneliti dari Observatorium Lorhrmann dan pemimpin kelompok Gaia di TU Dresden. Seperti yang ditunjukkannya dalam penelitiannya di tahun 2017, "astrometri dan gelombang gravitasi Gaia", Gaia dapat mendeteksi GW yang disebabkan oleh penggabungan SMBH tahun setelah acara:
"Jelas bahwa sumber gelombang gravitasi yang paling menjanjikan untuk deteksi astrometri adalah lubang hitam supermasif di pusat galaksi ... Diyakini bahwa lubang hitam supermasif biner adalah produk yang relatif umum dari interaksi dan penggabungan galaksi dalam perjalanan khas evolusi mereka. Objek semacam ini dapat memberikan gelombang gravitasi dengan frekuensi dan amplitudo yang berpotensi dalam jangkauan astrometri ruang. Selain itu, gelombang gravitasi dari benda-benda itu sering dapat dianggap memiliki frekuensi dan amplitudo yang hampir konstan selama seluruh periode pengamatan beberapa tahun. ”
Tapi tentu saja, tidak ada jaminan bahwa memilah-milah data Gaia akan mengungkapkan sinyal GW tambahan. Untuk satu hal, Moore dan rekan-rekannya mengakui bahwa gelombang pada frekuensi sangat rendah ini bisa terlalu lemah untuk dideteksi bahkan oleh Gaia. Selain itu, peneliti harus dapat membedakan antara GW dan sinyal yang bertentangan yang dihasilkan dari perubahan dalam orientasi pesawat ruang angkasa - yang bukan tantangan mudah!
Namun, ada harapan bahwa misi seperti Gaia akan dapat mengungkapkan GW yang tidak mudah terlihat oleh detektor interferometrik berbasis darat seperti LIGO dan Advanced Virgo. Detektor semacam itu tunduk pada efek atmosfer (seperti pembiasan) yang mencegah mereka dari melihat gelombang frekuensi sangat rendah - misalnya, gelombang primordial yang dihasilkan selama zaman inflasi dari Big Bang.
Dalam pengertian ini, penelitian gelombang gravitasi tidak berbeda dengan penelitian planet ekstrasurya dan banyak cabang astronomi lainnya. Untuk menemukan permata tersembunyi, observatorium mungkin perlu mengambil ruang untuk menghilangkan gangguan atmosfer dan meningkatkan sensitivitas mereka. Mungkin kemudian teleskop ruang angkasa lainnya akan dipasang kembali untuk penelitian GW, dan bahwa detektor GW generasi berikutnya akan dipasang di pesawat ruang angkasa.
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah beralih dari melakukan deteksi pertama gelombang gravitasi menjadi mengembangkan cara-cara baru dan lebih baik untuk mendeteksinya. Pada tingkat ini, tidak akan lama sebelum para astronom dan kosmologis dapat memasukkan gelombang gravitasi ke dalam model kosmologis kami. Dengan kata lain, mereka akan dapat menunjukkan pengaruh gelombang apa yang dimainkan dalam sejarah dan evolusi Semesta.
