Pengesanan langsung gelombang graviti pertama dijangka akan diumumkan pada 11 Februari oleh para saintis di Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Dengan menggunakan dua pengesan LIGO gergasi - satu di Livingston, Louisiana dan yang lain di Hanford, Washington - saintis mengukur riak pada masa-masa yang dihasilkan oleh perlanggaran dua lubang hitam dan nampaknya akhirnya menemui apa yang mereka cari.
Kenyataan seperti itu akan mengesahkan gelombang graviti yang diramalkan oleh Albert Einstein, yang mana ia menjadi sebahagian dari teori relativiti amnya 100 tahun yang lalu, tetapi akibatnya tidak akan berakhir di sana. Sebagai getaran dari kain ruang-waktu, gelombang graviti sering dibandingkan dengan suara, bahkan berubah menjadi trek suara. Teleskop gelombang graviti akan membolehkan para saintis "mendengar" fenomena dengan cara yang sama seperti teleskop cahaya "melihat" mereka.
Ketika LIGO berjuang untuk mendapatkan dana dari pemerintah AS pada awal tahun 1990-an, para astronom adalah pesaing utamanya dalam sidang kongres. "Pada masa itu difikirkan bahawa LIGO tidak ada hubungannya dengan astronomi," kata Clifford Will, ahli teori relativiti umum di University of Florida di Gainesville dan salah seorang pendukung awal LIGO. Tetapi banyak yang berubah sejak itu.
Selamat datang ke bidang astronomi gelombang graviti. Mari kita bahas isu dan fenomena yang dapat diungkapnya.
Adakah lubang hitam benar-benar wujud?
Isyarat yang diharapkan dari pengumuman LIGO mungkin dihasilkan oleh dua lubang hitam yang bergabung. Acara seperti ini adalah yang paling bertenaga diketahui; kekuatan gelombang graviti yang dipancarkan oleh mereka dapat secara ringkas mengalahkan semua bintang alam semesta yang diperhatikan secara keseluruhan. Penggabungan lubang hitam juga mudah ditafsirkan dari gelombang graviti yang sangat murni.
Video promosi:
Isyarat yang diharapkan dari pengumuman LIGO mungkin dihasilkan oleh dua lubang hitam yang bergabung. Acara seperti ini adalah yang paling bertenaga diketahui; kekuatan gelombang graviti yang dipancarkan oleh mereka dapat secara ringkas mengalahkan semua bintang alam semesta yang diperhatikan secara keseluruhan. Penggabungan lubang hitam juga mudah ditafsirkan dari gelombang graviti yang sangat murni.
Penggabungan lubang hitam berlaku apabila dua lubang hitam berputar di antara satu sama lain, memancarkan tenaga dalam bentuk gelombang graviti. Gelombang ini mempunyai bunyi khas (kicau) yang dapat digunakan untuk mengukur jisim kedua objek ini. Selepas itu, lubang hitam biasanya bergabung.
Bayangkan dua gelembung sabun yang cukup dekat untuk membentuk satu gelembung. Gelembung yang lebih besar cacat,”kata Tybalt Damour, ahli teori graviti di Institut Penyelidikan Ilmiah Lanjutan dekat Paris. Lubang hitam terakhir akan berbentuk bulat dengan sempurna, tetapi pertama kali mesti mengeluarkan gelombang graviti dari jenis yang dapat diramalkan.
Salah satu implikasi saintifik yang paling penting dalam mencari penggabungan lubang hitam adalah pengesahan adanya lubang hitam - sekurang-kurangnya objek bulat sempurna yang terdiri daripada jarak masa yang tulen, kosong, melengkung, seperti yang diramalkan oleh relativiti umum. Akibat lain ialah penggabungan itu berjalan seperti yang diramalkan para saintis. Ahli astronomi mempunyai banyak pengesahan tidak langsung mengenai fenomena ini, tetapi setakat ini ini adalah pemerhatian mengenai bintang dan gas yang terlalu panas di orbit lubang hitam, dan bukan lubang hitam itu sendiri.
"Komuniti saintifik, termasuk saya, tidak suka lubang hitam. Kami menganggapnya begitu saja,”kata Frans Pretorius, pakar dalam simulasi relativiti umum di Princeton University di New Jersey. "Tetapi jika anda memikirkan ramalan yang luar biasa ini, kami memerlukan bukti yang benar-benar menakjubkan."
Adakah gelombang graviti bergerak pada kelajuan cahaya?
Apabila para saintis mula membandingkan pemerhatian LIGO dengan teleskop lain, perkara pertama yang mereka periksa adalah sama ada isyarat itu tiba pada masa yang sama. Ahli fizik percaya bahawa graviti disebarkan oleh zarah graviton, analog graviti foton. Sekiranya, seperti foton, zarah-zarah ini tidak mempunyai jisim, maka gelombang graviti akan bergerak pada kelajuan cahaya, selaras dengan ramalan kelajuan gelombang graviti dalam relativiti klasik. (Kepantasan mereka dapat dipengaruhi oleh pengembangan alam semesta yang semakin cepat, tetapi ini harus terlihat pada jarak yang jauh melebihi yang diliputi oleh LIGO).
Walau bagaimanapun, sangat mungkin bahawa graviton mempunyai jisim kecil, yang bermaksud bahawa gelombang graviti akan bergerak pada kelajuan kurang dari cahaya. Jadi, sebagai contoh, jika LIGO dan Virgo mengesan gelombang graviti dan mengetahui bahawa gelombang tersebut tiba di Bumi lebih lama daripada yang berkaitan dengan peristiwa kosmik sinar gamma, ini boleh membawa akibat buruk bagi fizik asas.
Adakah jarak masa terbuat dari tali kosmik?
Penemuan yang lebih asing boleh berlaku sekiranya gelombang gelombang graviti dikesan berasal dari "tali kosmik." Kecacatan kelengkungan ruang-waktu hipotetis ini, yang mungkin atau mungkin tidak berkaitan dengan teori rentetan, harus sangat tipis tetapi terbentang jauh dari jarak kosmik. Para saintis meramalkan bahawa tali kosmik, jika ada, dapat membengkok secara tidak sengaja; jika tali membengkok, ia akan menyebabkan lonjakan graviti yang dapat diukur oleh pengesan seperti LIGO atau Virgo.
Bolehkah bintang neutron bergerigi?
Bintang-bintang Neutron adalah sisa-sisa bintang besar yang runtuh di bawah berat badan mereka sendiri dan menjadi begitu padat sehingga elektron dan proton mula mencair menjadi neutron. Para saintis mempunyai sedikit pemahaman mengenai fizik lubang neutron, tetapi gelombang graviti dapat memberitahu banyak tentangnya. Contohnya, graviti yang kuat di permukaannya menyebabkan bintang neutron menjadi sfera hampir sempurna. Tetapi beberapa saintis menyatakan bahawa mereka mungkin juga mempunyai "gunung" - setinggi beberapa milimeter - yang menjadikan objek-objek padat ini, berdiameter tidak lebih dari 10 kilometer, sedikit tidak simetri. Bintang-bintang neutron cenderung berputar dengan cepat, jadi pengagihan jisim asimetri akan melengkapkan masa dan menghasilkan isyarat gelombang graviti sinusoidal yang berterusan, memperlambat putaran bintang dan memancarkan tenaga.
Pasangan bintang neutron yang berputar di antara satu sama lain juga menghasilkan isyarat tetap. Seperti lubang hitam, bintang-bintang ini berputar dan akhirnya bergabung menjadi bunyi yang khas. Tetapi kekhususannya berbeza dengan kekhususan bunyi lubang hitam.
Mengapa bintang meletup?
Lubang hitam dan bintang neutron terbentuk apabila bintang besar berhenti bersinar dan runtuh ke dalam diri mereka. Ahli astrofizik berpendapat bahawa proses ini merupakan inti dari semua jenis letupan supernova Jenis II yang biasa. Simulasi supernova seperti itu belum mendedahkan mengapa mereka menyala, tetapi mendengar gelombang gelombang graviti yang dipancarkan oleh supernova yang nyata dipercayai dapat memberikan jawapan. Bergantung pada bagaimana gelombang pecah, seberapa keras, seberapa sering gelombang itu terjadi, dan bagaimana mereka berkolerasi dengan supernova yang dilacak oleh teleskop elektromagnetik, data ini dapat membantu mengesampingkan sekumpulan model yang ada.
Seberapa pantas alam semesta berkembang?
Alam semesta yang berkembang bermaksud bahawa objek jauh yang menjauh dari galaksi kita kelihatan lebih merah daripada yang sebenarnya, ketika cahaya yang dipancarkannya terbentang ketika mereka bergerak. Ahli kosmologi menganggarkan kadar pengembangan alam semesta dengan membandingkan pergeseran galaksi merah dengan sejauh mana jaraknya dari kita. Tetapi jarak ini biasanya dianggarkan dari kecerahan supernova Type Ia, dan teknik ini meninggalkan banyak ketidakpastian.
Sekiranya beberapa pengesan gelombang graviti di seluruh dunia mengesan isyarat dari penggabungan bintang-bintang neutron yang sama, bersama-sama mereka dapat secara tepat menganggarkan ketegasan isyarat, serta jarak di mana penggabungan itu berlaku. Mereka juga akan dapat menilai arah, dan dengannya, dapat mengenal pasti galaksi tempat kejadian itu berlaku. Dengan membandingkan pergeseran merah galaksi ini dengan jarak ke bintang yang bergabung, kadar pengembangan kosmik bebas dapat diperoleh, mungkin lebih tepat daripada kaedah semasa.
