Gelombang Gravitasi Memenangkan Penghargaan Nobel 2017 Bidang Fisika

Simulasi komputer memanfaatkan teknik canggih yang dikembangkan oleh Kip Thorne bersama tim, menyediakan informasi berharga untuk memprediksi sinyal gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh penggabungan lubang hitam.
Werner Benger, cc by-sa 4.0

Dalam momen lebih dari 100 tahun sejak pertama kali digelar, Penghargaan Nobel Fisika tahun 2017 hanya diberikan kepada Rainer Weiss, Kip Thorne, dan Barry Barish, atas upaya mereka merintis penemuan gelombang gravitasi. Weiss, seorang eksperimentalis yang pertama kali menggunakan interferometri untuk tujuan ini, Thorne, seorang ahli teori yang membantu mengetahui sinyal yang dihasilkan oleh berbagai fenomena astrofisika, dan Barish, seorang master instrumentasi yang memimpin LIGO selama perkembangan krusialnya pada tahun 1990-an dan seterusnya, tentunya layak untuk menerima Penghargaan Nobel bersama para penerima Penghargaan Nobel di bidang lainnya. Namun, mereka hanyalah tiga orang dari sejumlah besar orang yang terlibat dalam perencanaan, konstruksi dan pembentukan kolaborasi LIGO, yang pada tahun 2015 mendeteksi secara langsung gelombang gravitasi untuk pertama kalinya. Penghargaan Nobel ini didedikasikan kepada lebih dari seribu anggota kolaborasi LIGO sepanjang 40 tahun sejarah eksperimen gelombang gravitasi, sejak pertama kali digagas oleh Einstein.

Riak-riak spiral di jalinan ruang dan waktu, terdeteksi dari Bumi untuk pertama kalinya pada tahun 2015. Penemuan hanya menandai salah satu periode terpendek dalam riwayat teoritis dan eksperimen, meskipun LIGO sudah berusia 40 tahun sejak didirikan.
LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team

Ketika pertama kali muncul, Relativitas Umum melahirkan sebuah cara baru untuk memandang alam semesta melalui materi dan energi yang ada di jalinan ruang dan waktu. Materi dan energi menekuk ruang dan waktu, sedangkan ruang dan waktu mengatur bagaimana materi dan energi bergerak. Sejumlah konsekuensi yang timbul dari teori legendaris ini segera muncul setelah dicetuskan, termasuk eksistensi lubang hitam, fakta bahwa massa dapat bertindak sebagai lensa gravitasi, ekspansi alam semesta dan jenis baru radiasi, yaitu radiasi gravitasi ketika sebuah objek masif bergerak melalui ruang dan melengkungkan ruang yang berubah dari satu titik ke titik berikutnya, sekaligus memancarkan gelombang gravitasi untuk menghemat energi dan momentum. Rinciannya saat ini sedang dikerjakan.

Riak-riak yang melintasi ruang dihasilkan oleh gelombang gravitasi, terkompres dan memperluas ruang di sekitarnya. Pada pertengahan tahun 2010, kita berhasil mendeteksinya untuk pertama kali.
Observatorium Gravitasi Eropa, Lionel BRET/EUROLIOS

Einstein pertama kali memprediksi gelombang gravitasi sebagai konsekuensi dari teorinya sendiri, lalu mundur dan meyakinkan dirinya bahwa mereka tidak dapat eksis. Setelah 20 tahun akhirnya Einstein mengubah pikirannya, dia menulis sebuah makalah studi pada tahun 1930-an bersama Nathan Rosen, untuk meyakinkan bahwa gelombang gravitasi hanyalah artifak matematis Relativitas Umum. Makalah tersebut ditolak dari jurnal Physical Review. Penelaah makalah studi Howard Robertson adalah satu dari empat ilmuwan yang mengajukan solusi tentang relativitas ekspansi alam semesta, telah menemukan kesalahan fatal dalam makalah studi Einstein dan Rosen. Argumen berlanjut sampai tahun 1950-an, dan Rosen berpendapat bahwa gelombang gravitasi tidak membawa energi, oleh karena itu tidak bersifat fisik. Tapi Felix Pirani, Richard Feynman, dan Hermann Bondi justru berhasil membuktikannya. Kuncinya sekarang terletak pada prediksi dan deteksi mereka.

Gelombang gravitasi menyebar dalam satu arah, secara bergantian memperluas dan mengompres ruang dalam arah yang saling tegak lurus, yang didefinisikan sebagai polarisasi gelombang gravitasi. Kredit gambar: M. Pössel/Einstein Online.

Di sisi teoritis, sifat gelombang gravitasi dapat diprediksi. Bagaimana mereka tersebar, menekan dan memperluas ruang dalam arah tegak lurus dan berapa banyak energi yang mereka bawa. Gelombang terkuat dihasilkan oleh massa terbesar yang menghasilkan pergerakan paling cepat melalui kelengkungan ruang dan waktu, meliputi bintang katai putih, bintang neutron dan lubang hitam. Perkembangan relativitas numerik, termasuk perluasan perturbative terhadap hukum Newton yang menggabungkan efek medan kuat ini, memungkinkan para ilmuwan untuk memperkirakan sistem mana yang akan menghasilkan gelombang gravitasi dan sampai sejauh mana. Seiring perkembangan teknologi komputer, desain untuk memprediksi wujud gelombang gravitasi semakin melimpah dan lebih tepat.

Joseph Weber dengan detektor gelombang gravitasi tahap awal yang disebut batang Weber. Koleksi khusus dan arsip perpustakaan Universitas Maryland

Di akhir eksperimen, Joseph Weber adalah orang pertama yang merintis sebuah sistem untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Serangkaian batang resonan ditempatkan dalam ruang hampa dan sangat sensitif terhadap gelombang gravitasi dari frekuensi tertentu yang melintasi ruang. Meskipun Weber mengklaim pendeteksian dimulai pada tahun 1960-an, hasil deteksi tidak dapat diproduksi ulang, sesuai dengan teori yang memperkirakan jangkauan gelombang yang bisa dideteksi oleh tingkat sensitivitas batang. Di sisi lain, bukti tidak langsung untuk gelombang gravitasi berasal dari pulsar (bintang neutron yang berputar cepat), yang mengorbit bintang neutron lainnya. Karena kedua massa padat ini saling mengorbit, periode mereka berkurang: bukti bahwa energi terlepas. Itulah gelombang gravitasi.

Karena lebih dari satu objek masif yang melengkungkan ruang dan waktu saling mengorbit, pergerakan mereka menciptakan energi yang dipancarkan dalam bentuk gelombang gravitasi. Beberapa dekade sebelum LIGO mendeteksi gelombang gravitasi secara langsung, efek tidak langsung yang mereka deteksi dari gelombang gravitasi dari pulsar terlihat dengan jelas. Gelombang ini sungguh nyata dan membawa energi!

Russell Hulse dan Joseph Taylor memenangkan Penghargaan Nobel 24 tahun yang lalu untuk penelitan mereka terhadap pulsar biner pertama, yang juga telah dilakukan pada tahun 1960-an dan 1970-an. Kembali ke tahun 1970-an, itulah era ketika LIGO digagas. Tentu, ruang akan terus meluas dalam satu dimensi sembari berkontraksi secara tegak lurus dan berosilasi bolak-balik, asalkan gelombang gravitasi melewatinya. Rai Weiss adalah orang yang pertama kali memikirkan gagasan menggunakan interferometer untuk melakukan deteksi dan memberikan kontribusi luar biasa terhadap teknik desain dan instrumentasi awal; Weiss hanya menerima separuh dari penghargaan tahun ini.

Observatorium LIGO Hanford di Washington State, Amerika Serikat, yang mendeteksi gelombang gravitasi, adalah salah satu dari tiga detektor yang hari ini beroperasi bersama dengan kembarannya di Livingston, Los Anggeles, dan detektor VIRGO yang telah online dan beroperasi di Italia.
Laboratorium Caltech/MIT/LIGO

Thorne adalah seorang advokat teoritis dan salah satu pelopor dalam karya numerik, yang memungkinkan berbagai sistem penggabungan benda langit seperti lubang hitam akhirnya bisa diprediksi oleh LIGO. Tanpa prediksi akurat tentang sinyal yang dihasilkan dari masing-masing sistem, tidak mungkin mengetahui sinyal apa yang harus dicari di tengah derau kebisingan sinyal. Sementara itu, Barry Barish adalah arsitek utama detektor gelombang gravitasi yang mentransformasi LIGO dari sekadar gagasan ke seperangkat observatorium yang luar biasa. Dia mengambil alih proyek ini pada tahun 1994 untuk membangkitkan kembali gagasan yang telah menggelepar dan mengubahnya menjadi sekumpulan detektor yang dapat mendeteksi fenomena penggabungan lubang hitam terletak lebih dari satu miliar tahun cahaya, bahkan sampai empat kali. Jadi, Thorne dan Barish turut berbagi bagian lain dari Penghargaan Nobel.

Deteksi gelombang gravitasi tidak hanya layak mendapatkan Penghargaan Nobel, namun telah mengubah gagasan kita tentang apa yang mungkin dapat dilakukan dalam astronomi. Beberapa detektor yang dipasang di seluruh dunia, dapat menunjukkan lokasi sumber dan mampu mendeteksi penundaan waktu antara detektor, yang mengkonfirmasikan kecepatan gravitasi sama dengan kecepatan cahaya, termasuk mengukur orientasi/polarisasi sinyal. Lubang hitam tentunya akan lebih mudah kita deteksi di masa depan, meskipun massanya kecil, mengingat astronomi gelombang gravitasi telah meningkat drastis menjadi semakin akurat dan lebih banyak detektor yang akan online. Pada akhirnya, bahkan gelombang dari bintang neutron dan benda langit sumber cahaya lainnya akan mampu dideteksi secara langsung, yang mengantarkan kita pada era ketika gelombang gravitasi dan astronomi teleskop tradisional saling tumpang tindih.

Kip Thorne, Ron Drever dan Robbie Vogt, direktur pertama LIGO, jauh sebelum Barry Barish mengambil alih dan mengubah LIGO menjadi observatorium yang luar biasa saat ini.
Arsip, Institut Teknologi California.

Penghargaan Nobel Fisika 2017 mungkin telah diberikan kepada tiga orang yang memberikan kontribusi luar biasa bagi kegigihan sains, namun tak sekadar kisah yang tercatat dengan tinta emas. Di balik itu semua, selama lebih dari 100 tahun, banyak ilmuwan yang telah berkontribusi secara teoritis, eksperimental dan observasional untuk memahami cara kerja alam semesta. Sains lebih dari sekadar metode; akumulasi pengetahuan dari kegigihan dan jerih payah umat manusia, dikumpulkan dan disatukan bagi kemajuan semua orang. Sementara penghargaan paling bergengsi kini telah beralih ke gelombang gravitasi, sains tentang fenomena dahsyat ini baru dimulai. Yang terbaik belum datang!

Ditulis oleh: Ethan Siegel, kontributor www.forbes.com

Sumber: Gravitational Waves Win 2017 Nobel Prize In Physics, The Ultimate Fusion OfTheory And Experiment

#terimakasihgoogle