Sejak dimulakan 13.8 bilion tahun yang lalu, alam semesta terus berkembang, menghamburkan beratus-ratus bilion galaksi dan bintang seperti kismis dalam adunan yang cepat naik. Ahli astronomi telah menunjuk teleskop pada bintang-bintang tertentu dan sumber kosmik lain untuk mengukur jarak mereka dari Bumi dan kadar penyingkirannya, dua parameter yang diperlukan untuk mengira pemalar Hubble, satuan ukuran yang menggambarkan kadar di mana alam semesta mengembang.
Tetapi setakat ini, percubaan paling tepat untuk menganggarkan pemalar Hubble memberikan nilai yang sangat tersebar dan tidak memungkinkan membuat kesimpulan akhir tentang seberapa cepat alam semesta berkembang. Maklumat ini, menurut para saintis, harus menjelaskan asal usul Alam Semesta dan nasibnya: adakah kosmos akan berkembang tanpa batas atau suatu hari akan menyusut?
Oleh itu, saintis dari Institut Teknologi Massachusetts dan Universiti Harvard telah mencadangkan cara yang lebih tepat dan bebas untuk mengukur pemalar Hubble menggunakan gelombang graviti yang dipancarkan oleh sistem yang agak jarang berlaku: lubang hitam sistem binari - bintang neutron, pasangan bertenaga yang dipusingkan dalam lingkaran oleh lubang hitam dan bintang neutron. Ketika objek-objek ini bergerak dalam tarian, objek-objek ini menghasilkan gelombang getaran ruang-waktu dan kilatan cahaya ketika perlanggaran akhir terjadi.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada 12 Julai di Physical Review Letters, para saintis mengatakan bahawa kilatan cahaya akan memungkinkan para saintis menganggarkan kelajuan sistem, iaitu, seberapa cepat ia menjauh dari Bumi. Gelombang gravitasi yang dipancarkan, jika ditangkap di Bumi, harus memberikan pengukuran jarak dan sistem yang bebas dan tepat. Walaupun sistem binari lubang hitam dan bintang neutron sangat jarang berlaku, saintis menganggarkan bahawa penemuan bahkan sebilangan kecil daripadanya akan membuat anggaran yang paling tepat mengenai pemalar Hubble dan kadar pengembangan alam semesta sehingga kini.
"Sistem binari lubang hitam dan bintang neutron adalah sistem yang sangat kompleks yang kita tidak banyak ketahui," kata Salvatore Vitale, profesor fizik bersekutu di MIT dan pengarang utama makalah tersebut. "Sekiranya kita menemukannya, hadiah itu akan menjadi penembusan radikal kita dalam memahami alam semesta."
Vitale dikarang bersama oleh Hsin-Yu Chen dari Harvard.
Video promosi:
Pemalar yang bersaing
Dua pengukuran bebas dari pemalar Hubble baru-baru ini diambil, satu menggunakan Teleskop Angkasa Hubble NASA dan yang lain menggunakan satelit Planck Badan Angkasa Eropah. Pengukuran Hubble didasarkan pada pengamatan bintang yang dikenali sebagai pemboleh ubah Cepheid, dan juga pengamatan supernova. Kedua-dua objek ini dianggap "lilin standard" untuk jangkaan kecerahan, di mana para saintis menganggarkan jarak ke bintang dan kelajuannya.
Jenis penilaian lain adalah berdasarkan pemerhatian turun naik pada latar belakang gelombang mikro kosmik - sinaran elektromagnetik yang kekal setelah Big Bang, ketika alam semesta masih di peringkat awal. Walaupun pemerhatian kedua-dua prob itu sangat tepat, anggaran pemalar Hubble sangat berbeza.
"Dan di sinilah LIGO bermain," kata Vitale.
LIGO, atau observatorium gelombang graviti interferometrik laser, mencari gelombang graviti - riak pada ruang-ruang, yang lahir sebagai akibat daripada bencana astrofizik.
"Gelombang graviti menyediakan cara yang sangat sederhana dan mudah untuk mengukur jarak ke sumbernya," kata Vitale. "Apa yang kami dapati dengan LIGO adalah kesan langsung dari jarak ke sumber, tanpa analisis lebih lanjut."
Pada tahun 2017, saintis mendapat peluang pertama untuk menganggarkan pemalar Hubble dari sumber gelombang graviti ketika LIGO dan rakannya dari Itali Virgo menemui sepasang bintang neutron bertaburan untuk pertama kalinya dalam sejarah. Perlanggaran ini melepaskan sejumlah besar gelombang graviti, yang diukur oleh para saintis untuk menentukan jarak dari Bumi ke sistem. Penggabungan itu juga memancarkan ledakan cahaya, yang dapat dianalisis oleh para astronom dengan teleskop darat dan ruang angkasa untuk menentukan kelajuan sistem.
Setelah memperoleh kedua-dua ukuran tersebut, para saintis mengira nilai baru untuk pemalar Hubble. Walau bagaimanapun, anggaran datang dengan ketidakpastian yang cukup besar iaitu 14%, jauh lebih tidak pasti daripada nilai yang dikira menggunakan Hubble dan Planck.
Vitale mengatakan bahawa banyak ketidakpastian berpunca dari kenyataan bahawa menafsirkan jarak dari sistem binari ke Bumi sukar menggunakan gelombang graviti yang dihasilkan oleh sistem itu.
"Kami mengukur jarak dengan melihat seberapa 'keras' gelombang gravitasi, yaitu seberapa bersih data kami di atasnya," kata Vitale. "Sekiranya semuanya jelas, anda dapat melihatnya keras dan menentukan jaraknya. Tetapi ini hanya sebahagian berlaku untuk sistem binari."
Faktanya adalah bahawa sistem ini, yang menghasilkan cakera tenaga yang berpusing ketika tarian dua bintang neutron berkembang, memancarkan gelombang graviti tidak merata. Sebilangan besar gelombang graviti ditembak dari pusat cakera, sementara lebih sedikit gelombang ditembak keluar dari tepi. Sekiranya para saintis mengesan isyarat gelombang graviti "kuat", ini mungkin menunjukkan salah satu daripada dua senario: gelombang yang dikesan dilahirkan di pinggir sistem yang sangat dekat dengan Bumi, atau gelombang datang dari pusat sistem yang jauh lebih jauh.
"Dalam kes sistem bintang binari, sangat sukar untuk membezakan antara kedua situasi ini," kata Vitale.
Gelombang baru
Pada tahun 2014, bahkan sebelum LIGO mengesan gelombang graviti pertama, Vitale dan rakan-rakannya memerhatikan bahawa sistem binari lubang hitam dan bintang neutron dapat memberikan pengukuran jarak yang lebih tepat daripada bintang neutron binari. Pasukan itu mengkaji seberapa tepat putaran lubang hitam dapat diukur, dengan syarat objek ini berputar pada paksinya, seperti Bumi, hanya lebih cepat.
Para penyelidik telah memodelkan pelbagai sistem lubang hitam, termasuk sistem bintang neutron lubang hitam dan sistem bintang neutron binari. Sepanjang perjalanan, didapati bahawa jarak ke lubang hitam - sistem bintang neutron dapat ditentukan dengan lebih tepat daripada bintang neutron. Vitale mengatakan ini disebabkan oleh pemintalan lubang hitam di sekitar bintang neutron, kerana ia membantu menentukan dengan lebih baik dari mana gelombang graviti berasal dari sistem.
"Kerana pengukuran jarak yang lebih tepat, saya berpendapat bahawa sistem bintang neutron lubang hitam binari mungkin menjadi titik rujukan yang lebih tepat untuk mengukur pemalar Hubble," kata Vitale. "Sejak itu, banyak yang terjadi dengan gelombang LIGO dan gelombang graviti ditemui, sehingga semuanya memudar ke latar belakang."
Vitale baru-baru ini kembali ke pemerhatian asalnya.
"Sehingga kini, orang lebih memilih bintang neutron binari sebagai cara untuk mengukur pemalar Hubble menggunakan gelombang graviti," kata Vitale. "Kami telah menunjukkan bahawa ada jenis sumber gelombang gravitasi yang belum dimanfaatkan sepenuhnya sebelumnya: lubang hitam dan bintang neutron menari-nari. LIGO akan mula mengumpulkan data sekali lagi pada Januari 2019 dan akan menjadi lebih sensitif, yang bermaksud kita dapat melihat objek yang lebih jauh. Oleh itu, LIGO akan dapat melihat sekurang-kurangnya satu sistem lubang hitam dan bintang neutron, dan sebaiknya semua dua puluh lima, dan ini akan membantu menyelesaikan ketegangan yang ada dalam mengukur pemalar Hubble, semoga, dalam beberapa tahun akan datang.
Ilya Khel
