Getaran dalam ruang-waktu ditemui satu abad setelah mereka diramalkan oleh Einstein. Era baru dalam astronomi bermula.
Para saintis dapat mengesan turun naik ruang-waktu yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam. Ini berlaku seratus tahun setelah Albert Einstein meramalkan "gelombang graviti" ini dalam teori relativiti amnya, dan seratus tahun setelah ahli fizik mula mencarinya.
Penemuan mercu tanda ini dilaporkan hari ini oleh para penyelidik di LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Mereka mengesahkan khabar angin yang mengepung analisis kumpulan data pertama yang mereka kumpulkan selama berbulan-bulan. Ahli astrofizik mengatakan bahawa penemuan gelombang graviti membolehkan kita melihat alam semesta dengan cara yang baru dan memungkinkan untuk mengenali peristiwa yang jauh yang tidak dapat dilihat dalam teleskop optik, tetapi anda dapat merasakan dan bahkan mendengar gegaran samar mereka yang sampai ke kita melalui ruang angkasa.
"Kami telah mengesan gelombang graviti. Kita berjaya!" mengumumkan David Reitze, pengarah eksekutif pasukan penyelidikan dengan 1,000 anggota, bercakap hari ini pada sidang media di Washington di National Science Foundation.
Gelombang graviti mungkin merupakan fenomena yang paling sukar difahami dari ramalan Einstein, saintis itu membincangkan topik ini dengan sezamannya selama beberapa dekad. Menurut teorinya, ruang dan waktu membentuk bahan peregangan, yang membongkok di bawah pengaruh objek berat. Merasakan graviti bermaksud memasuki lekuk perkara ini. Tetapi bolehkah ruang-waktu ini menggeletar seperti kulit gendang? Einstein bingung, dia tidak tahu apa maksud persamaannya. Dan dia berulang kali mengubah pandangannya. Tetapi penyokong teorinya yang paling kuat percaya bahawa gelombang graviti terlalu lemah untuk diamati. Mereka bergerak ke luar setelah berlakunya bencana tertentu, dan ketika mereka bergerak, secara bergantian meregangkan dan mengontrak ruang-waktu. Tetapi pada saat gelombang ini sampai ke Bumi,mereka meregangkan dan memampatkan setiap kilometer ruang dengan pecahan kecil diameter nukleus atom.
Pengesan balai cerap LIGO di Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
Video promosi:
Perlu kesabaran dan berhati-hati untuk mengesan gelombang ini. Observatorium LIGO melancarkan sinar laser bolak-balik di sepanjang selekoh empat kilometer panjang dua pengesan, satu di Hanford, Washington dan satu lagi di Livingston, Louisiana. Ini dilakukan untuk mencari pengembangan dan penguncupan sistem yang bertepatan semasa berlalunya gelombang graviti. Dengan menggunakan penstabil canggih, instrumen vakum dan beribu-ribu sensor, para saintis mengukur perubahan dalam panjang sistem ini, berjumlah hanya seperseribu ukuran proton. Kepekaan instrumen seperti itu tidak dapat difikirkan seratus tahun yang lalu. Ia juga tampak luar biasa pada tahun 1968, ketika Rainer Weiss dari Massachusetts Institute of Technology membuat eksperimen yang disebut LIGO.
"Ini keajaiban yang hebat bahawa pada akhirnya mereka berjaya Mereka dapat mengesan getaran kecil ini! " - kata ahli fizik teori di University of Arkansas, Daniel Kennefick, yang menulis pada tahun 2007 buku Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Perjalanan dengan kepantasan pemikiran. Einstein dan pencarian gelombang graviti).
Penemuan ini menandakan permulaan era baru dalam astronomi gelombang graviti. Diharapkan kita mempunyai idea yang lebih tepat mengenai pembentukan, komposisi dan peranan galaksi lubang hitam - bola jisim super padat ini yang memutar-balikkan ruang-waktu dengan begitu dramatik sehingga cahaya tidak dapat melarikan diri dari sana. Apabila lubang hitam mendekat satu sama lain dan bergabung, mereka menghasilkan isyarat impuls - ayunan ruang-waktu yang meningkat dalam amplitud dan nada, dan kemudian tiba-tiba berakhir. Isyarat yang dapat dirakam oleh balai cerap berada dalam jangkauan audio - namun, isyarat tersebut terlalu lemah untuk didengar oleh telinga telanjang. Anda boleh mencipta semula bunyi ini dengan mengetuk jari anda menggunakan kunci piano. "Mulakan pada nota terendah dan bekerja hingga oktaf ketiga," kata Weiss. "Inilah yang kita dengar."
Ahli fizik sudah kagum dengan jumlah dan kekuatan isyarat yang telah direkodkan pada masa ini. Ini bermaksud bahawa terdapat lebih banyak lubang hitam di dunia daripada yang difikirkan sebelumnya. "Kami bernasib baik, tetapi saya selalu mengandalkan keberuntungan seperti itu," kata ahli astrofizik Caltech Kip Thorne, yang mencipta LIGO bersama Weiss dan Ronald Drever, yang juga berasal dari Caltech. "Ini biasanya berlaku apabila tetingkap baru terbuka di alam semesta."
Setelah mengupas gelombang gravitasi, kita dapat membentuk idea yang sama sekali berbeza tentang ruang, dan mungkin kita akan menemui fenomena kosmik yang tidak dapat dibayangkan.
"Saya dapat membandingkannya dengan saat pertama kali menunjuk teleskop ke langit," kata ahli astrofizik teori Janna Levin dari Barnard College, Columbia University. "Orang menyedari bahawa ada sesuatu di sana, dan anda dapat melihatnya, tetapi mereka tidak dapat meramalkan kemungkinan besar yang ada di alam semesta ini." Demikian juga, kata Levin, penemuan gelombang graviti dapat menunjukkan bahawa alam semesta "penuh dengan bahan gelap yang tidak dapat kita ketahui hanya dengan teleskop."
Kisah penemuan gelombang graviti pertama bermula pada hari Isnin pagi pada bulan September, dan ia bermula dengan tepukan. Isyaratnya begitu jelas dan kuat sehingga Weiss berfikir: "Tidak, ini omong kosong, tidak ada yang akan terjadi."
Keamatan emosi
Gelombang graviti pertama ini melintasi alat pengesan LIGO yang ditingkatkan - pertama di Livingston dan tujuh milisaat kemudian di Hanford - semasa simulasi dijalankan pada awal pagi 14 September, dua hari sebelum permulaan pengumpulan data rasmi.
Pengesannya "terperangkap" setelah peningkatan lima tahun yang berharga $ 200 juta. Mereka dilengkapi dengan cermin baru untuk pembatalan kebisingan dan sistem maklum balas aktif untuk menekan getaran luar dalam masa nyata. Peningkatan tersebut memberikan pemerhatian yang dinaik taraf tahap kepekaan yang lebih tinggi daripada LIGO lama, yang mendapati "sifar mutlak dan murni," seperti yang dinyatakan oleh Weiss, antara tahun 2002 dan 2010.
Ketika isyarat kuat datang pada bulan September, para saintis di Eropah, di mana pagi itu pada waktu itu, mulai dengan cepat membombardir rakan-rakan Amerika mereka dengan e-mel. Ketika kumpulan yang lain bangun, berita itu tersebar dengan cepat. Hampir semua orang ragu-ragu mengenai hal ini, kata Weiss, terutama ketika mereka melihat isyarat tersebut. Itu adalah buku teks klasik yang sebenar, dan oleh itu beberapa orang menganggapnya palsu.
Kesalahpahaman dalam mencari gelombang gravitasi telah diulang berkali-kali sejak akhir 1960-an, ketika Joseph Weber dari University of Maryland percaya dia telah menemui getaran resonan dalam silinder aluminium dengan sensor sebagai tindak balas terhadap gelombang. Pada tahun 2014, eksperimen yang disebut BICEP2 berlangsung, menurut hasilnya diumumkan bahawa gelombang gravitasi asli dikesan - ayunan ruang-waktu dari Big Bang, yang sekarang telah meregangkan dan membeku secara kekal dalam geometri alam semesta. Para saintis dari pasukan BICEP2 mengumumkan penemuan mereka dengan penuh semangat, tetapi kemudian hasilnya disahkan secara bebas, di mana ternyata mereka salah, dan bahawa isyarat ini berasal dari debu kosmik.
Ketika ahli kosmologi Universiti Negeri Arizona Lawrence Krauss mendengar tentang penemuan pasukan LIGO, dia pertama kali menganggapnya adalah "buta barang". Semasa operasi balai cerap lama, isyarat simulasi secara diam-diam dimasukkan ke dalam aliran data untuk memeriksa tindak balas, dan kebanyakan pasukan tidak tahu mengenainya. Ketika Krauss belajar dari sumber yang berpengetahuan bahwa kali ini bukan "pemadaman buta", dia hampir tidak dapat menahan kegembiraannya yang menggembirakan.
Pada 25 September, dia menulis tweet kepada 200,000 pengikut Twitternya: “Khabar angin gelombang graviti yang dikesan pada pengesan LIGO. Menakjubkan jika benar. Saya akan memberikan maklumatnya, jika itu bukan pokok linden. " Ini diikuti dengan entri 11 Januari: “Khabar angin sebelumnya tentang LIGO telah disahkan oleh sumber bebas. Ikuti berita. Mungkin gelombang graviti ditemui!"
Kedudukan rasmi para saintis adalah seperti berikut: jangan menyebarkan isyarat yang diterima sehingga ada kepastian seratus peratus. Thorne, yang terikat dengan tangan dan komitmen oleh kerahsiaan ini, bahkan tidak mengatakan apa-apa kepada isterinya. "Saya meraikan sendiri," katanya. Sebagai permulaan, para saintis memutuskan untuk kembali ke awal dan menganalisis segalanya dengan terperinci sekecil-kecilnya untuk mengetahui bagaimana isyarat itu menyebarkan melalui ribuan saluran pengukuran pelbagai pengesan, dan untuk memahami apakah ada sesuatu yang aneh pada masa ini isyarat itu dikesan. Mereka tidak menjumpai apa-apa yang luar biasa. Mereka juga menyingkirkan penggodam yang seharusnya mengetahui yang terbaik mengenai ribuan aliran data dalam eksperimen tersebut. "Walaupun pasukan melempar masuk, mereka tidak cukup sempurna dan meninggalkan banyak jejak kaki mereka," kata Thorne. "Dan tidak ada trek di sini."
Pada minggu-minggu berikutnya, mereka mendengar satu lagi isyarat lemah.
Para saintis menganalisis dua isyarat pertama, dan mereka menerima lebih banyak. Pada bulan Januari, mereka membentangkan makalah penyelidikan mereka dalam Surat Tinjauan Fizikal. Isu ini ada di Internet hari ini. Menurut perkiraan mereka, kepentingan statistik isyarat pertama yang paling kuat melebihi "5-sigma", yang bermaksud bahawa penyelidik 99,9999% yakin akan kesahihannya.
Mendengarkan graviti
Persamaan relativiti umum Einstein sangat kompleks sehingga memerlukan hampir 40 tahun ahli fizik untuk bersetuju: ya, gelombang graviti ada dan dapat dikesan - bahkan secara teorinya.
Pada mulanya, Einstein berpendapat bahawa objek tidak dapat melepaskan tenaga dalam bentuk radiasi graviti, tetapi kemudian dia mengubah pandangannya. Dalam karya sejarahnya, yang ditulis pada tahun 1918, dia menunjukkan objek apa yang dapat melakukan ini: sistem dumbbell yang berputar secara serentak di sekitar dua paksi, misalnya, binari dan supernova yang meletup seperti mercun. Merekalah yang dapat menghasilkan gelombang dalam ruang-waktu.
Model komputer yang menggambarkan sifat gelombang graviti dalam sistem suria
Foto: REUTERS, Pemberian
Tetapi Einstein dan rakan-rakannya terus ragu-ragu. Beberapa ahli fizik berpendapat bahawa walaupun gelombang ada, dunia akan bergetar dengannya, dan mustahil untuk merasakannya. Baru pada tahun 1957 Richard Feynman menutup pertanyaan dengan menunjukkan dalam eksperimen pemikiran bahawa jika gelombang graviti ada, secara teorinya mereka dapat dikesan. Tetapi tidak ada yang tahu betapa umum sistem dumbbell ini berada di angkasa lepas, atau seberapa kuat atau lemahnya gelombang yang dihasilkan. "Pada akhirnya, pertanyaannya adalah: bisakah kita menemukannya?" Kennefick berkata.
Pada tahun 1968, Rainer Weiss adalah profesor muda di Massachusetts Institute of Technology dan ditugaskan untuk mengajar kursus dalam relativiti umum. Sebagai eksperimen, dia tidak banyak mengetahui tentang hal itu, tetapi tiba-tiba ada berita mengenai penemuan gelombang graviti Weber. Weber membina tiga alat pengesan resonans berukuran meja dari aluminium dan meletakkannya di negara-negara Amerika yang berbeza. Sekarang dia mengatakan bahawa ketiga-tiga pengesan merakam "bunyi gelombang graviti."
Pelajar Weiss diminta untuk menjelaskan sifat gelombang graviti dan menyatakan pendapat mereka mengenai mesej yang dibunyikan. Mengkaji perinciannya, dia kagum dengan kerumitan pengiraan matematik. "Saya tidak dapat mengetahui apa yang dilakukan Weber, bagaimana sensor berinteraksi dengan gelombang graviti. Saya duduk lama dan bertanya pada diri sendiri: "Apa yang paling primitif yang dapat saya fikirkan untuk mengesan gelombang graviti?" Dan kemudian timbul idea kepada saya, yang saya namakan sebagai asas konseptual LIGO."
Bayangkan tiga objek dalam ruang-waktu, katakanlah, cermin di sudut segitiga. "Kirimkan isyarat cahaya dari satu ke yang lain," kata Weber. "Lihat berapa lama masa untuk bergerak dari satu massa ke massa yang lain, dan periksa apakah waktunya telah berubah." Ternyata, saintis itu menyatakan, bahawa ini dapat dilakukan dengan cepat. "Saya mempercayakan ini kepada pelajar saya sebagai tugas ilmiah. Secara harfiah seluruh kumpulan dapat melakukan pengiraan ini."
Pada tahun-tahun berikutnya, ketika penyelidik lain cuba mengulangi hasil eksperimen Weber dengan pengesan resonan, tetapi terus-menerus gagal (tidak jelas apa yang dia amati, tetapi ini bukan gelombang graviti), Weiss mula menyiapkan eksperimen yang jauh lebih tepat dan bercita-cita tinggi: interferometer gelombang graviti. Pancaran laser memantulkan tiga cermin berbentuk L untuk membentuk dua rasuk. Jarak puncak dan palung gelombang cahaya secara tepat menunjukkan panjang lutut "G" yang membuat paksi X dan Y ruang masa. Apabila skala tidak bergerak, dua gelombang cahaya melambung dari sudut dan saling membatalkan. Isyarat dalam pengesan adalah sifar. Tetapi jika gelombang graviti melewati Bumi, ia membentang panjang satu lengan huruf "G" dan memampatkan panjang yang lain (dan sebaliknya secara bergiliran)Ketidakcocokan dua pancaran cahaya menghasilkan isyarat di pengesan, menunjukkan sedikit turun naik dalam ruang-waktu.
Pada mulanya, rakan-rakan ahli fizik ragu-ragu, tetapi tidak lama kemudian eksperimen itu mendapat sokongan dari orang Thorne, yang kumpulan ahli teori dari Caltech menyelidiki lubang hitam dan sumber gelombang graviti lain yang berpotensi, serta isyarat yang mereka hasilkan. Thorne diilhamkan oleh eksperimen Weber dan usaha serupa oleh saintis Rusia. Setelah bercakap pada tahun 1975 di sebuah persidangan dengan Weiss, "Saya mula percaya bahawa pengesanan gelombang graviti akan berjaya," kata Thorne. "Dan saya mahu Caltech juga terlibat dalam perkara ini." Dia mengatur dengan institusi itu untuk mengupah eksperimen Skotlandia Ronald Driever, yang juga mengumumkan bahawa dia akan membangun interferometer gelombang graviti. Seiring berjalannya waktu, Thorne, Driver dan Weiss mula bekerja sebagai satu pasukan, masing-masing menyelesaikan masalah mereka yang tidak terkira banyaknya sebagai persiapan untuk eksperimen praktikal. Ketiga-tiga mereka membentuk LIGO pada tahun 1984, dan ketika prototaip dibina dan pasukan yang semakin meningkat, mereka menerima dana $ 100 juta dari Yayasan Sains Nasional pada awal 1990-an. Pelan cetak dibuat untuk pembinaan sepasang pengesan berbentuk L gergasi. Satu dekad kemudian, pengesan mula berfungsi.
Di Hanford dan Livingston, di tengah setiap selekoh pengesan empat kilometer terdapat kekosongan, berkat laser, sinar dan cerminnya diasingkan secara maksimum dari getaran berterusan planet ini. Untuk memastikan lebih banyak lagi, saintis LIGO memantau pengesan mereka semasa mereka bekerja dengan ribuan instrumen, mengukur semua yang mereka dapat: aktiviti seismik, tekanan atmosfera, kilat, sinar kosmik, getaran peralatan, bunyi di kawasan pancaran laser, dan sebagainya. Mereka kemudian menyaring bunyi latar belakang yang tidak diingini dari data mereka. Mungkin yang utama ialah mereka mempunyai dua alat pengesan, dan ini membolehkan anda membandingkan data yang diterima, memeriksa keberadaan isyarat yang bertepatan.
Di dalam vakum yang dibuat, walaupun laser dan cermin benar-benar terpencil dan stabil, "perkara aneh berlaku sepanjang masa," kata Marco Cavaglià, timbalan jurucakap projek LIGO. Para saintis mesti mengesan "ikan mas", "hantu", "raksasa laut yang tidak dapat difahami" ini dan fenomena getaran luar yang lain, mencari sumbernya untuk menghilangkannya. Satu kes yang sukar berlaku semasa fasa pengesahan, kata Jessica McIver, seorang saintis penyelidikan dengan pasukan LIGO, yang mengkaji isyarat dan gangguan yang luar biasa seperti itu. Serangkaian bunyi frekuensi tunggal berkala sering muncul dalam data. Ketika dia dan rakannya menukar getaran cermin menjadi fail audio, "telefon berdering jelas," kata McIver. "Ternyatabahawa pengiklan komunikasi yang memanggil telefon di dalam bilik laser."
Dalam dua tahun akan datang, saintis akan terus meningkatkan kepekaan pengesan LIGO Observatorium Gelombang Interferometrik Laser yang dimodenkan. Dan di Itali, interferometer ketiga, yang disebut Advanced Virgo, akan mula berfungsi. Satu jawapan bahawa data yang diperoleh akan membantu memberi adalah bagaimana lubang hitam terbentuk. Adakah mereka adalah hasil dari keruntuhan bintang-bintang besar yang paling awal, atau adakah hasil dari pertembungan dalam kelompok bintang yang padat? "Ini hanya dua andaian, saya rasa akan ada lebih banyak ketika semua orang tenang," kata Weiss. Ketika LIGO mula mengumpulkan statistik baru dalam perjalanannya yang akan datang, para saintis akan mula mendengar cerita tentang asal-usul lubang hitam yang akan dibisikkan oleh ruang kepada mereka.
Dalam bentuk dan ukuran, isyarat berdenyut pertama yang paling kuat berasal 1,3 miliar tahun cahaya dari mana, setelah sekian lama tarian perlahan, di bawah pengaruh tarikan graviti bersama, dua lubang hitam, masing-masing kira-kira 30 kali jisim suria, akhirnya bergabung. Lubang hitam berputar lebih cepat dan lebih cepat, seperti pusaran air, secara beransur-ansur semakin dekat. Kemudian berlaku penggabungan, dan sekelip mata mereka melepaskan gelombang graviti dengan tenaga yang setanding dengan ketiga Matahari. Gabungan ini menjadi fenomena bertenaga paling kuat yang pernah dirakam.
"Sepertinya kita tidak pernah melihat lautan semasa ribut," kata Thorne. Dia telah menunggu ribut ini di ruang angkasa sejak tahun 1960-an. Perasaan yang dialami Thorne ketika gelombang bergelombang tidak begitu menggembirakan, katanya. Ia adalah sesuatu yang lain: perasaan kepuasan yang mendalam.
