Gelombang Gravitasi, Terdeteksi Setelah Seabad Bersembunyi

Mari kembali ke masa 1,3 milyar tahun silam. Itulah masa saat dua buah benda langit dengan kerapatan yang amat sangat padat bertubrukan pada satu tempat di penjuru jagat raya kita. Umat manusia mengenal benda langit eksotis semacam itu dengan nama menggetarkan: lubang hitam. Dalam kejadian tubrukan akbar berskala kosmik 1,3 milyar tahun silam tersebut lubang hitam pertama memiliki massa 36 kali lipat Matahari. Sedangkan massa lubang hitam kedua ‘hanya’ 29 kali lipat Matahari. Tubrukan mahadahsyat itu menghasilkan lubang hitam tunggal, namun massanya ‘hanya’ 62 kali lipat Matahari. Maka ada setidaknya massa sebesar 3 kali lipat Matahari yang hilang. Namun massa tersebut ternyata tidaklah menghilang tanpa jejak, ia bertransformasi menjadi energi yang dijalarkan ke segenap penjuru jagat raya sebagai gelombang gravitasi.

Gambar 1. Ilustrasi dua buah lubang hitam menjelang bertubrukan dan menyatu. Kontur berwarna disekitar masing-masing lubang hitam menunjukkan amplitudo gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Garis hijau dan ungu putus-putus menunjukkan lintasan berspiral masing-masing lubang hitam hingga menuju titik tubrukan dan menyatu. Panah hijau melingkar menunjukkan arah rotasi setiap lubang hitam. Peristiwa seperti inilah yang dideteksi observatorium LIGO lewat pancaran gelombang gravitasinya. Sumber: NASA, 2016.

Gambar 1. Ilustrasi dua buah lubang hitam menjelang bertubrukan dan menyatu. Kontur berwarna disekitar masing-masing lubang hitam menunjukkan amplitudo gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Garis hijau dan ungu putus-putus menunjukkan lintasan berspiral masing-masing lubang hitam hingga menuju titik tubrukan dan menyatu. Panah hijau melingkar menunjukkan arah rotasi setiap lubang hitam. Peristiwa seperti inilah yang dideteksi observatorium LIGO lewat pancaran gelombang gravitasinya. Sumber: NASA, 2016.

Relativitas Umum dan Astronomi

Apa itu gelombang gravitasi? Segalanya berawal dari masa tepat seabad silam. Yakni tatkala salah satu jenius paling imajinatif dalam sejarah ilmu pengetahuan alam, yakni Albert Einstein, mempublikasikan pemikirannya mengenai relativitas umum pada bulan November 1915 Tarikh Umum (TU). Ini adalah penyempurnaan dari gagasan relativitas khusus yang telah dipublikasikannya tepat satu dasawarsa sebelumnya. Jika relativitas khusus lebih menekankan pada tidak adanya kerangka acuan mutlak (termasuk waktu) dan terdapat kesetaraan massa dan energi (yang amat terkenal dengan persamaan E=mc2), maka relativitas umum memperluasnya hingga mencakup gravitasi.

Dalam relativitas umum, segenap jagat raya terletak dalam geometri empat dimensi dimana tiga dimensi merupakan bagian dari dimensi ruang (yakni sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z) sementara satu dimensi sisanya bagian dari dimensi waktu. Keempat dimensi itu saling tak terpisahkan, apa yang mempengaruhi ruang juga akan mempengaruhi waktu. Sehingga lahir kosakata ruang-waktu. Andaikata di dalam jagat raya ini tidak ada konsentrasi massa, maka ruang-waktu akan berbentuk datar. Namun konsentrasi massa, terlebih jika cukup massif dalam ruap benda langit seperti bintang-bintang dan galaksi, akan membuat ruang-waktu disekelilingnya melengkung demikian rupa. Derajat kelengkungan ini berbanding terbalik dengan jaraknya dari benda langit tersebut, semakin jauh maka akan semakin kecil. Di sisi lain, semakin besar massa benda langit maka semakin melengkung ruang-waktu disekelilingnya. Melengkungnya ruang-waktu disekitar benda langit akan menghasilkan sejumlah fenomena yang dapat dideteksi.

Gambar 2. Poster menjelang Gerhana Matahari Total 1919, yang menggambarkan bagaimana cahaya bintang-bintang jauh dibelokkan sedikit kala melintas di dekat benda langit bermassa cukup besar (massif) seperti Matahari sebagai efek dari melengkungnya ruang-waktu akibat benda massif. Posisi nampak bintang-bintang tersebut akan bergeser menjauh sedikit dari Matahari. Fenomena ini hanya bisa disaksikan pada saat peristiwa Gerhana Matahari Total. Observasi yang dilakukan Eddington dkk, memastikan bahwa berkas cahaya tersebut memang benar-benar berbelok sedikit. Sumber: Morison, 2008.

Gambar 2. Poster menjelang Gerhana Matahari Total 1919, yang menggambarkan bagaimana cahaya bintang-bintang jauh dibelokkan sedikit kala melintas di dekat benda langit bermassa cukup besar (massif) seperti Matahari sebagai efek dari melengkungnya ruang-waktu akibat benda massif. Posisi nampak bintang-bintang tersebut akan bergeser menjauh sedikit dari Matahari. Fenomena ini hanya bisa disaksikan pada saat peristiwa Gerhana Matahari Total. Observasi yang dilakukan Eddington dkk, memastikan bahwa berkas cahaya tersebut memang benar-benar berbelok sedikit. Sumber: Morison, 2008.

Benda-benda langit di jagat raya ini tidaklah diam dalam posisinya. Melainkan selalu bergerak. Dalam kasus khusus dimana benda langit tersebut memiliki massa cukup besar dan bergerak dipercepat, maka ruang-waktu disekelilingnya akan turut berubah. Perubahan tersebut akan menjalar menjauh ke segala arah yang bergerak secepat cahaya sebagai riak-riak ruang-waktu. Inilah gelombang gravitasi.

Masih bingung dengan gelombang gravitasi? Mari bentangkan selembar selimut sejarak sekitar 50 cm di atas tempat tidur kita. Agar tetap melayang, ikat keempat ujungnya pada masing-masing tiang di setiap sudut ranjang. Lantas taruhlah sebuah bola sepak, pelan-pelan saja dan tepat di tengah-tengahnya. Selimut itu melengkung? Tentu saja. Namun tak berhenti di situ. Siapkan bola tennis, lemparkan pelan-pelan tepat ke arah bola sepak di tengah-tengah bentangan selimut itu. Saat kedua bola itu saling berbenturan dan lantas berdempetan, kita akan melihat riak-riak di selimut, menjalar demikian rupa. Nah, mari anggap tempat tidur kita sebagai jagat raya dan selimut itu sebagai ruang-waktu. Maka riak-riak di selimut itulah gelombang gravitasi. Ya gelombang yang merambat dalam kurvatur ruang-waktu.

Meski aneh dan sulit dinalar pada awalnya, gagasan relativitas umum terbukti benar. Dan sedari awal astronomi sangat tertarik dengannya. Daya pikat gagasan Einstein pertama kali dipancarkan dari suksesnya relativitas umum dalam menjelaskan perilaku aneh orbit planet Merkurius. Sudah sejak 1840 TU astronomi menyadari Merkurius berperilaku sedikit aneh dalam menjalani orbitnya. Ia senantiasa bergeser dari orbit seharusnya (yang diperhitungkan berdasar hukum gravitasi Newton), meski nilainya kecil. Pergeseran tersebut terutama teramati pada perubahan lokasi titik terdekat orbit Merkurius ke Matahari (perihelion). Perihelion Merkurius senantiasa bergerak maju, fenomena yang dikenal sebagai presesi perihelion.

Presesi perihelion Merkurius pertama kali diungkap Arago, direktur observatorium Paris, dalam suratnya kepada Urbain Le Verrier, sosok yang pertama kali menyadari kemungkinan eksistensi planet Neptunus di atas kertas jauh sebelum planet tersebut benar-benar ditemukan. Jejak paling awal dari presesi perihelion Merkurius terungkap dari gagalnya perhitungan Le Verrier dalam memprakirakan transit Merkurius. Dalam perhitungannya, Le Verrier menyimpulkan transit Merkurius, yakni segarisnya posisi Matahari-Merkurius-Bumi dalam segala arah (konfigurasi syzygy), akan terjadi pada 1843 TU. Namun pada waktu yang telah diprakirakan tersebut observasi astronomi tak pernah berhasil menjumpai peristiwa transit yang dimaksud (perhitungan terkini menunjukkan transit Merkurius terjadi pada 8 Mei 1845 TU). Terinspirasi kisah sukses penemuan planet Neptunus, Le Verrier pun beranggapan ada sebuah planet-tak-dikenal, yang kedudukannya lebih dekat ke Matahari dibanding Merkurius. Planet tersebut cukup massif sehingga gravitasinya mampu menyebabkan presesi perihelion Merkurius. Le Verrier menyebut planet-tak-dikenal ini sebagai Vulcan. Pada saat yang bersamaan Le Verrier juga mengembangkan perhitungannya untuk menyingkap planet-tak-dikenal yang mengganggu orbit Uranus dan Neptunus, yang akhirnya mendunia sebagai kisah pencarian Planet X.

Le Verrier sempat dibikin bungah saat Edmond Lescarbault memublikasikan hasil observasinya tentang benda langit yang terlihat lewat di depan Matahari pada Desember 1859 TU. Le Verrier menganggap itulah Vulcan dan segera memperhitungkan elemen orbitnya. Namun observasi demi observasi yang dilakukan sejumlah astronom di masa berikutnya tak pernah berhasil menjumpai eksistensi Vulcan. Ambisi pencarian Vulcan sedikit meredup setelah wafatnya Le Verrier pada 1877 TU. Namun gagasan mengenai planet Vulcan baru benar-benar lenyap tatkala Einstein memublikasikan relativitas umumnya. Dengan pendekatan berbeda dibanding mekanika Newton, relativitas umum memperlihatkan bahwa presesi perihelion Merkurius adalah sebuah konsekuensi tak terhindarkan dari planet yang paling dekat ke Matahari itu. Karena paling dekat, sementara ruang-waktu disekeliling Matahari melengkung, maka Merkurius tak punya pilihan selain bergerak mengelilingi Matahari dalam lengkungan tersebut. Dengan konsekuensi terjadilah presesi perihelion.

Gambar 3. Ekspedisi Gerhana Matahari Total 1929 di Takengon (Indonesia), yang dipimpin oleh Erwin Freundlich (baju putih, tengah). Radas dalam foto ini adalah kamera horizontal yang digunakan untuk mengukur besarnya pembelokan berkas cahaya bintang akibat melengkungnya ruang-waktu di sekeliling Matahari. Sumber: Hentschel, 1992.

Gambar 3. Ekspedisi Gerhana Matahari Total 1929 di Takengon (Indonesia), yang dipimpin oleh Erwin Freundlich (baju putih, tengah). Radas dalam foto ini adalah kamera horizontal yang digunakan untuk mengukur besarnya pembelokan berkas cahaya bintang akibat melengkungnya ruang-waktu di sekeliling Matahari. Sumber: Hentschel, 1992.

Ketertarikan astronomi dengan relativitas umum menjadi lebih intim pasca Perang Dunia 1. Sebagai konsekuensi dari melengkungnya ruang-waktu disekeliling Matahari, maka berkas cahaya dari bintang-bintang jauh yang kebetulan lewat di dekat Matahari pun tak punya pilihan kecuali sedikit berbelok. Imbasnya, kita di Bumi akan melihat bintang-bintang tersebut mengalami pergeseran posisi nampak, seakan-akan menjauhi Matahari. Padahal sesungguhnya tidak. Fenomena ini berpeluang bisa dibuktikan dalam peristiwa Gerhana Matahari Total. Sebab dalam puncak totalitasnya, cakram Matahari yang benderang akan tertutupi sepenuhnya oleh cakram Bulan. Sehingga langit akan menggelap untuk sesaat, memungkinkan bintang-bintang redup di latar belakang Matahari terlihat. Dengan membandingkan posisi nampak bintang-bintang tersebut pada saat Gerhana Matahari Total dan tidak, maka dapat diketahui terjadinya pergeseran posisi nampak. Inilah yang dibuktikan Arthur Eddington dkk lewat ekspedisi Gerhana Matahari Total 29 Mei 1919 TU di Sobral (Brazil) dan Pulau Principe (Sao Tome dan Principe). Belakangan Erwin Freundlich juga membuktikan hal serupa dalam ekspedisi Gerhana Matahari Total 9 Mei 1929 yang berlangsung di Takengon, propinsi Aceh (Indonesia).

Di kemudian hari, astronomi pulalah yang membuktikan sejumlah prediksi menarik relativitas umum. Mulai dari dinamika jagat raya di awal mula hingga ke benda langit eksotik semacam lubang hitam. Sampai saat ini lubang hitam memang belum dapat diamati secara langsung. tetapi banyak gejalanya yang sudah terobservasi. Lantas bagaimana dengan gelombang gravitasi ?

Observatorium

Gambar 4. Observatorium LIGO di Livingston, Lousiana (Amerika Serikat) berdasarkan citra satelit. Nampak dua lorong panjang hampa udara yang saling tegaklurus. Sumber: Google Maps, 2016.

Gambar 4. Observatorium LIGO di Livingston, Lousiana (Amerika Serikat) berdasarkan citra satelit. Nampak dua lorong panjang hampa udara yang saling tegaklurus. Sumber: Google Maps, 2016.

Riak-riak yang menjalar melalui ruang-waktu sebagai gelombang gravitasi mampu mendistorsi ruang-waktu yang dilewatinya sendiri, meski untuk sesaat. Andaikan kita meletakkan sebuah kubus di sebuah tempat dan gelombang gravitasi melewatinya, maka kubus tersebut secara harfiah bakal berubah menjadi balok untuk sesaat. Tetapi perubahan itu takkan kasat mata. Sedari awal telah disadari upaya untuk mendeteksi gelombang gravitasi menjadi salah satu pekerjaan ilmiah yang luar biasa sulit. Betapa tidak, gelombang gravitasi memiliki amplitudo (tinggi gelombang) yang amat sangat luar biasa kecil. Bila dibandingkan dengan diameter atom Hidrogen, amplitudo gelombang gravitasi hanyalah sepermilyarnya saja. Bahkan dibandingkan dengan dimensi proton, amplitudo gelombang gravitasi masih sepuluh ribu kali lebih kecil. Jelas upaya untuk mendeteksinya tak semudah melihat riak-riak kecil gelombang laut di keluasan bentangan perairan samudera.

Untuk itulah LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) dibangun, sebagai sebuah observatorium astronomi yang unik karena tak bertumpu pada cahaya maupun emisi foton lainnya dari langit. LIGO bertulangpunggungkan pada prinsip interferometri. Secara sederhana, observatorium ini berbasiskan pada dua buah lorong hampa udara sepanjang 4 kilometer yang dibangun demikian rupa sehingga satu dengan yang lain tepat saling tegaklurus. Kombinasi kedua lorong membentuk konfigurasi yang sama persis dengan huruf L. Panjang salah satu lorong sengaja dibuat 1 meter lebih pendek dibanding lainnya. Ujung setiap lorong dilengkapi dengan cermin pemantul. Sementara di titik potong kedua lorong dipasang cermin-pembelah-semi-transparan, yang berfungsi untuk ‘membelah’ berkas cahaya yang melintasinya sehingga bisa diarahkan ke kedua lorong tersebut sekaligus. Di dekat cermin-pembelah ini, searah dengan salah satu lorong, dipasang sumber cahaya koheren (laser). Sebaliknya searah dengan lorong yang lain dipasang detektor, juga berdekatan dengan cermin-pembelah.

Gambar 5. Gambaran sederhana struktur observatorium LIGO yang terdiri dari lima bagian utama. Sumber cahaya koheren, cermin-pemisah-semi-transparan dan detektor terletak saling berdekatan (berada pada gedung yang sama). Sedangkan cermin pemantul lorong 1 terletak di ujung lorong 1 (panjang 4 kilometer). Demikian halnya cermin pemantul lorong 2, hanya saja lorong 2 sedikit lebih pendek. Sumber: Universe Today, 2016.

Gambar 5. Gambaran sederhana struktur observatorium LIGO yang terdiri dari lima bagian utama. Sumber cahaya koheren, cermin-pemisah-semi-transparan dan detektor terletak saling berdekatan (berada pada gedung yang sama). Sedangkan cermin pemantul lorong 1 terletak di ujung lorong 1 (panjang 4 kilometer). Demikian halnya cermin pemantul lorong 2, hanya saja lorong 2 sedikit lebih pendek. Sumber: Universe Today, 2016.

Cara kerjanya? Sumber cahaya koheren menembakkan berkas laser ke cermin-pembelah-semi-transparan. Sehingga berkas laser itupun terbelah menjadi dua. Satu berkas mengarah ke lorong yang lebih panjang sementara satunya lagi ke lorong lebih pendek. Di ujung setiap lorong, berkas laser ini dipantulkan kembali oleh cermin-pemantul sehingga kembali mengarah ke cermin-pemisah. Setibanya di cermin-pemisah, kedua berkas yang semula terpisah itu lantas menyatu kembali dan selanjutnya mengarah ke detektor. Seperti cahaya pada umumnya, berkas sinar laser juga memiliki sifat-sifat gelombang dan merupakan gelombang transversal. Dengan panjang kedua lorong yang sedikit berbeda, maka pada saat kedua berkas laser yang semula terpisah itu menyatu kembali di cermin-pemisah dan bersama-sama menuju detektor, terjadilah interferensi. Selisih panjang kedua lorong tersebut adalah demikian rupa sehingga dalam kondisi normal menyatunya kedua berkas laser pasca melewati cermin-pemisah menghasilkan interferensi destruktif. Dalam interferensi ini, puncak gelombang berkas laser pertama akan tepat bertemu dengan lembah gelombang berkas laser kedua dan demikian sebaliknya. Sehingga praktis tak ada cahaya yang tiba di detektor. Sebaliknya tatkala Bumi terpapar oleh gelombang gravitasi, maka salah satu lorong akan terdampak. Imbasnya terjadi perubahan panjang lorong tersebut dalam skala yang amat sangat kecil, meski untuk sesaat. Perubahan ini akan merubah pola interferensinya menjadi interferensi konstruktif. Dimana puncak gelombang berkas laser pertama akan bersua dengan puncak gelombang berkas laser kedua, demikian pula lembah gelombangnya. Sebagai akibatnya terdapat cahaya yang bisa terdeteksi di detektor.

LIGO dalam kondisi normal

  1. Aliran cahayaLIGO_gb6_cara-kerja_statik_01
  2. Diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya di detektor (Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang teratur dan saling mengisi !)Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang teratur dan saling mengisi !

LIGO dalam kondisi saat gelombang gravitasi menerpa

  1. Aliran cahaya LIGO_gb6_cara-kerja_dinamik_02
  2. Diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya di detektor (Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang tidak teratur !)

    Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang tidak teratur ! Gambar 6. Gambaran sederhana bagaimana Observatorium LIGO bekerja, dengan menganggap bahwa cahaya adalah butir-butir partikel tanpa sifat gelombang. Sumber cahaya koheren terletak di sebelah kiri sementara detektor di sebelah bawah. Setelah melewati cermin-pemisah-semi-transparan, berkas cahaya terpisah menjadi dua masing-masing berwarna hijau dan merah. Perhatikan perbedaan diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya antara kondisi normal dan kondisi saat gelombang gravitasi menerpa. Sumber: Universe Today, 2016.

    Gambar 6. Gambaran sederhana bagaimana Observatorium LIGO bekerja, dengan menganggap bahwa cahaya adalah butir-butir partikel tanpa sifat gelombang. Sumber cahaya koheren terletak di sebelah kiri sementara detektor di sebelah bawah. Setelah melewati cermin-pemisah-semi-transparan, berkas cahaya terpisah menjadi dua masing-masing berwarna hijau dan merah. Perhatikan perbedaan diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya antara kondisi normal dan kondisi saat gelombang gravitasi menerpa. Sumber: Universe Today, 2016.

 

Dalam kenyataannya, operasi LIGO jauh lebih rumit dibanding gambaran di atas. Setelah dibelah oleh cermin-pembelah, berkas laser yang mengarah ke setiap lorong LIGO sejatinya menempuh lintasan yang lebih jauh karena dipantulkan bola-balik antara cermin-pemantul dan cermin-pembelah hingga 75 juta kali sebelum memasuki detektor. Pemantulan berulang-ulang ini meningkatkan sensitivitas LIGO. Namun di sisi lain juga membuat LIGO lebih rentan mengalami gangguan dari getaran-getaran halus yang terjadi di paras Bumi. Baik akibat aktivitas alamiah (misalnya gempabumi) hingga ulah manusia (misalnya lalu lintas kendaraan bermotor).

Untuk itulah Dewan Pendanaan Ilmu Pengetahuan Amerika Serikat (National Science Foundation atau NSF) memutuskan membiayai pembangunan dua observatorium LIGO sekaligus. Masing-masing Observatorium LIGO Livingston yang berlokasi di Livingston (negara bagian Lousiana) yang bertempat di pesisir timur Amerika dan Observatorium LIGO Hanford yang mengambil lokasi di Hanford (negara bagian Washington) di pesisir barat. Kedua observatorium tersebut berselisih jarak tepat 3.002 kilometer. Setiap observatorium LIGO ditempatkan di pedalaman yang jauh dari aktivitas manusia keseharian secara umum. Dengan dua observatorium identik yang saling terpisah, maka gangguan dari paras Bumi dapat dideteksi dan dieliminasi. Dengan kata lain, riset tentang deteksi gelombang gravitasi hanya akan terfokus pada sebuah kejadian yang dideteksi oleh kedua observatorium LIGO tersebut secara bersamaan. Konsekuensi dari pembangunan dan operasi dua observatorium LIGO ini membuat NSF harus merogoh kocek dalam-dalam, hingga mencapai US $ 620 juta. Ini menjadikannya proyek ilmiah terbesar dan termahal yang pernah dibiayai NSF.

Pola interferensi destruktif, terjadi saat LIGO beroperasi dalam kondisi normal (sebagai pengembangan dari Gambar 6, dimana sifat gelombang transversal cahaya kini diperhitungkan). Perhatikan gelombang cahaya hijau dan merah tepat saling melenyapkan sehingga akumulasinya tidak ada gelombang cahaya (garis biru)LIGO_gb7_interferensi_destruktif-01

Pola interferensi konstruktif, terjadi saat LIGO beroperasi dalam kondisi saat gelombang gravitasi menerpa (sebagai pengembangan dari Gambar 6, dimana sifat gelombang transversal cahaya kini diperhitungkan). Perhatikan gelombang cahaya hijau dan merah saling menguatkan sehingga akumulasinya membentuk pola gelombang cahaya biru yang baru

Gambar 7. Gambaran sederhana tentang pola interferensi yang bisa diindra detektor observatorium LIGO. Dalam hal ini berkas cahaya dianggap sebagai butir-butir partikel yang memiliki sifat gelombang. Bila diagram waktu kedatangan di Gambar 6 dikembangkan lebih lanjut dengan menyertakan pola-pola gelombang transversal, maka akan dijumpai pola interferensi destruktif (kondisi normal) dan pola interferensi konstruktif (kondisi saat gelombang gravitasi menerpa). Sumber: Universe Today, 2016.

Gambar 7. Gambaran sederhana tentang pola interferensi yang bisa diindra detektor observatorium LIGO. Dalam hal ini berkas cahaya dianggap sebagai butir-butir partikel yang memiliki sifat gelombang. Bila diagram waktu kedatangan di Gambar 6 dikembangkan lebih lanjut dengan menyertakan pola-pola gelombang transversal, maka akan dijumpai pola interferensi destruktif (kondisi normal) dan pola interferensi konstruktif (kondisi saat gelombang gravitasi menerpa). Sumber: Universe Today, 2016.

Penemuan

Untungnya, ongkos mahal itu terbayar dengan penemuan spektakuler. Pada 14 September 2015 TU pukul 16:50:45 WIB kedua observatorium LIGO tersebut mendeteksi sebuah kejadian tak biasa. Kala itu selama 0,2 detik Bumi terpapar oleh gelombang gravitasi. Meski sangat singkat, namun dua observatorium LIGO berhasil mendeteksinya pada frekuensi 150 MHz. Analisis yang cukup hati-hati memperlihatkan gelombang gravitasi ini dibangkitkan dari dua buah lubang hitam yang bertubrukan dan menyatu. Sebelum menyatu, keduanya bergerak saling mengedari dalam sebuah tarian kosmik yang luar biasa. Terdeteksinya frekuensi orbital 75 MHz (separuh frekuensi gelombang gravitasi) menunjukkan kedua lubang hitam tersebut berselisih jarak hanya 350 km saat tarian dimulai (dan gelombang gravitasi terpancar). Tarian ini berlangsung pada kecepatan yang sangat tinggi, awalnya pada kecepatan hampir 90.000 km/detik (30 % kecepatan cahaya) dan dalam 0,2 detik kemudian meningkat pesat menjadi dua kali lipatnya. Menyatunya kedua lubang hitam tersebut menjadi satu lubang hitam massif diiringi dengan hilangnya massa sebesar 3 kali Matahari. Massa ini sesungguhnya tak hilang, namun berubah menjadi energi yang diangkut oleh gelombang gravitasi. Energi tersebut amat sangat luar biasa besar. Pada puncaknya, yakni dalam 20 milidetik pasca penyatuan, gelombang gravitasi itu mengangkut daya 3.6 . 1049 watt. Daya tersebut 50 kali lipat lebih besar ketimbang daya yang dibangkitkan lewat cahaya tampak dari seluruh galaksi yang telah teramati di jagat raya kita !

Gambar 8. Hasil observasi gelombang gravitasi lewat observatorium LIGO di Hanford dan Livingstone. Nampak kurva dari data yang terekam nyaris sama persis dengan hasil perhitungan (simulasi). Inilah bukti langsung pertama bahwa gelombang gravitasi memang ada. Sumber: Abbott dkk, 2016.

Gambar 8. Hasil observasi gelombang gravitasi lewat observatorium LIGO di Hanford dan Livingstone. Nampak kurva dari data yang terekam nyaris sama persis dengan hasil perhitungan (simulasi). Inilah bukti langsung pertama bahwa gelombang gravitasi memang ada. Sumber: Abbott dkk, 2016.

Deteksi dari dua observatorium LIGO ini juga memungkinkan kita untuk melacak lokasi tubrukan dua lubang hitam tersebut. Dengan teknik triangulasi, diketahui tubrukan terjadi pada lokasi yang searah dengan arahpandang kita ke galaksi Awan Magellan Besar di belahan langit selatan. Meski dengan hanya dua observatorium LIGO yang aktif saat itu dan melacak peristiwa ini, dimana tepatnya posisi kedua lubang hitam yang saling bertubrukan dan menyatu itu berada tidak dapat diketahui dengan pasti. Analisis hanya memperlihatkan bahwa kedua lubang hitam yang bertubrukan itu ada di dalam kawasan seluas 140 derajat persegi (pada tingkat keyakinan 50 %) atau seluas 590 derajat persegi (pada tingkat keyakinan 90 %) di belahan langit selatan. Perbandingan dengan hasil pengamatan observatorium unik lainnya, misalnya observatorium yang berbasis emisi gelombang elektromagnetik (mencakup teleskop sinar gamma, sinar-X, ultraviolet dan cahaya tampak) serta observatorium berbasis pancaran partikel subatomik (neutrino), menunjukkan energi yang dilepaskan dari tubrukan dua lubang hitam tersebut sepenuhnya diangkut oleh gelombang gravitasi. Tidak oleh gelombang elektromagnetik maupun partikel subatomik.

Apa pengaruh dari terdeteksinya gelombang gravitasi bagi umat manusia?

Implikasinya sangat luas. Sukses deteksi tersebut sekali lagi menunjukkan relativitas umum (yang digagas Einstein) terbukti benar. Demikian halnya aplikasinya dalam kehidupan keseharian manusia modern, misalnya dalam navigasi berbasis satelit. Tanpa memasukkan efek relativitas umum, maka koordinat posisi yang disajikan oleh satelit navigasi manapun (baik sistem GPS Amerika Serikat, Glonass Russia maupun Galileo Eropa) akan meleset sejauh beberapa kilometer dari aslinya. Terbuktinya gelombang gravitasi juga memberikan jendela observasi baru dalam astronomi. Selama ini astronomi bertulangpunggungkan pada observasi yang berbasis gelombang elektromagnetik (gelombang radio, gelombang mikro, cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar inframerah, sinar-X dan sinar gamma) serta partikel subatomik (sinar kosmik, angin Matahari/angin bintang, neutrino). Kini entitas baru ditambahkan ke dalamnya, yakni gelombang gravitasi. Terdeteksinya gelombang gravitasi saat ini juga menunjukkan (sekali lagi) bahwa lubang hitam, benda langit eksotik yang diramalkan relativitas umum, memang terbukti ada. Umat manusia memang takkan sanggup melihatnya melalui cahaya yang dipancarkannya, karena dari sinilah nama lubang hitam itu berakar. Namun dengan gravitasinya, lubang hitam sanggup memperlihatkan diri. Selama ini kita mencoba memahami eksistensi lubang hitam berdasarkan tarikan gravitasinya terhadap benda-benda langit disekitarnya hingga menghasilkan pola yang khas. Namun eksistensi gelombang gravitasi membuka jendela baru dalam memahami lubang hitam.

Gambar 9. Areal lokasi tempat dua lubang hitam yang bertubrukan dalam tempo 1,3 milyar tahun silam di langit selatan dan meghasilkan gelombang gravitasi yang terdeteksi pada 2015 TU silam. Karena hanya terdeteksi oleh dua observatorium gelombang gravitasi yang aktif saat itu, maka dimana persisnya lokasi tubrukan tidak dapat ditentukan secara lebih teliti. Nampak posisi dua bintang terang: Canopus dan Sirius. Sumber: Space.com, 2016.

Gambar 9. Areal lokasi tempat dua lubang hitam yang bertubrukan dalam tempo 1,3 milyar tahun silam di langit selatan dan meghasilkan gelombang gravitasi yang terdeteksi pada 2015 TU silam. Karena hanya terdeteksi oleh dua observatorium gelombang gravitasi yang aktif saat itu, maka dimana persisnya lokasi tubrukan tidak dapat ditentukan secara lebih teliti. Nampak posisi dua bintang terang: Canopus dan Sirius. Sumber: Space.com, 2016.

Di atas semua implikasi ilmiah tersebut, ada implikasi praktis dalam ranah antropis. Beruntung dua lubang hitam yang bertubrukan itu terletak sangat jauh dari kita, dalam jarak 1,3 milyar tahun cahaya. Andaikata sangat dekat, bencana tak terperi bakal menerpa Bumi kita dan bahkan segenap penjuru tata surya. Andaikata tubrukan tersebut terjadi di tempat yang cukup dekat, katakanlah hanya berjarak 100 tahun cahaya dari Bumi kita, riak-riak di ruang-waktu hasil tubrukan itu akan demikian mendistorsi ruang-waktu tempat Bumi kita berada akibat amplitudo gelombang gravitasinya masih sangat besar.

Referensi :

Abbott dkk. 2016. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116: 061102.

Possel. 2016. Gravitational Wave Detector: How They Work. Universe Today, 10 Februari 2016.

O’Neill. 2016. Where Did Those Gravitational Waves Come From? There’s a Map. Space.com, 12 Februari 2016.

Hentschel. 1992. Erwin Finlay Freundlich and Testing Einstein’s Theory of Relativity. Archive for History of Exact Sciences June 1994, Volume 47, Issue 2, pp 143-201.

Morison. 2008.Introduction to Astronomy and Cosmology. John Wiley & Sons, West Sussex, United Kingdom

2 thoughts on “Gelombang Gravitasi, Terdeteksi Setelah Seabad Bersembunyi

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s