Mengapa Kecepatan Gravitasi Setara dengan Kecepatan Cahaya?

Gelombang gravitasi adalah riak-riak di jalinan ruang dan waktu yang merambat secepat cahaya ke segala arah. Meskipun konstanta elektromagnetisme tidak dijelaskan dalam persamaan Relativitas Umum Einstein, tak diragukan lagi kecepatan gravitasi setara dengan kecepatan cahaya.

Kredit: European Gravitational Observatory, Lionel Bret/Eurolios

 
Jika Matahari tiba-tiba berhenti memancarkan cahaya, kita tidak akan mengetahuinya selama sekitar 8 menit 20 detik. Cahaya yang tiba di Bumi dipancarkan dari fotosfer Matahari setelah menempuh perjalanan sejauh 150 juta km, kisaran jarak yang memisahkan Bumi dan Matahari. Jika saat ini Matahari menjadi gelap, kita baru akan mengetahuinya setelah cahaya terakhir yang dipancarkan Matahari tiba di Bumi, sekitar 8 menit 20 detik kemudian.
 
Tapi bagaimana dengan gravitasi Matahari? Jika entah bagaimana Matahari tiba-tiba lenyap, berapa lama Bumi akan tetap berada di lintasan orbitnya yang elips, sebelum akhirnya melepaskan diri dari cengkraman gaya gravitasi Matahari? Percaya atau tidak, jawaban untuk pertanyaan ini sama persis dengan waktu yang tersedia untuk cahaya, yaitu sekitar 8 menit 20 detik. Secara observasi, kecepatan gravitasi tak sekadar setara dengan kecepatan cahaya, kedua konstanta juga harus sama persis secara teoritis, jika tidak Relativitas Umum akan hancur berantakan.

Meskipun telah digantikan oleh Relativitas Umum Einstein, Hukum Gravitasi Universal Newton mengandalkan konsep aksi sesaat (gaya) di kejauhan dan lebih mudah dipahami. “G” adalah konstanta gravitasi dalam persamaan ini. Bersama dengan massa dan jarak antara kedua benda, mereka adalah faktor yang menentukan gaya gravitasi. G juga diuraikan dalam teori Einstein.

Kredit: Wikimedia Commons User Dennis Nilsson

 
Sebelum digantikan oleh Relativitas Umum, teori gravitasi utama yang dijadikan rujukan adalah hukum gravitasi universal Newton. Menurut Newton, gaya gravitasi antara dua benda di ruang angkasa hanya ditentukan oleh empat parameter:

1. Konstanta gravitasi alam semesta (G), yang berlaku untuk setiap benda.
2. Massa benda pertama, “m”, yang mengalami gaya gravitasi. (Dengan prinsip kesetaraan Einstein, “m” diuraikan dalam hukum gerak, F=ma.)
3. Massa benda kedua, “M”, yang menarik benda pertama.
4. Jarak di antara mereka, “r”, yaitu jarak dari pusat massa benda pertama ke pusat massa benda kedua.

Keempat parameter tersebut hanya berlaku dalam hukum gravitasi Newton. Kita dapat melakukan segala macam kalkulasi dari hukum ini untuk memperoleh, misalnya, orbit elips planet-planet mengitari Matahari. Tetapi persamaan hanya berfungsi jika gaya gravitasi terjadi seketika.

Orbit delapan planet utama bervariasi dalam eksentrisitas, termasuk perbedaan antara perihelion (titik terdekat) dan aphelion (titik terjauh) dari Matahari. Tidak ada alasan mendasar yang menjelaskan mengapa beberapa planet cenderung lebih atau kurang eksentrik daripada yang lain, karena fenomena ini dihasilkan dari kondisi awal pembentukan tata surya. Jika entah bagaimana gaya gravitasi Matahari menghilang, seluruh planet tidak akan lepas seketika. Justru planet-planet terdalam yang akan terlebih dahulu melepaskan diri dari cengrakaman gravitasi Matahari, disusul oleh planet-planet terluar, mengingat sinyal gravitasi dari Matahari menyebar secepat cahaya.

Kredit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

 
Mungkin agak membingungkan. Jika kecepatan gravitasi setara dengan kecepatan cahaya, maka Bumi seharusnya tertarik ke tempat Matahari berada sekitar 8 menit 20 detik yang lalu, bukan di posisi yang ditempati Matahari saat ini. Tetapi jika kita menerapkan perhitungan menggunakan posisi Matahari sekitar 8 menit 20 detik sebelumnya, kita justru memperoleh prediksi orbit Bumi yang salah, bahkan Newton sendiri dengan kualitas observasi kurang dari 100 tahun yang lalu (pada era Tycho Brache), pasti akan mengesampingkannya.
 
Faktanya, jika kita menerapkan hukum Newton untuk menghitung orbit planet dan memaksakannya agar sesuai dengan observasi modern, maka kecepatan gravitasi setidaknya harus 20 miliar kali lebih cepat daripada kecepatan cahaya.

Model akurat orbit planet-planet mengitari Matahari, yang juga bergerak mengitari pusat galaksi. Jika Matahari mendadak lenyap, teori Newton memprediksi mereka akan langsung bergerak dalam garis lurus, sementara Einstein memprediksi planet-planet terdalam akan terus mengorbit untuk periode waktu yang lebih singkat daripada planet-planet terluar.

Kredit: Rhys Taylor

 
Permasalahannya terletak pada gaya pusat atau gaya yang mengikat partikel seperti Bumi yang ditarik oleh gaya gravitasi Matahari, justru bergerak mengitari Matahari (mengorbit) dengan kecepatan yang terbatas. Dari sini kita akan memperoleh percepatan radial (mengarah ke benda yang lain) dan komponen yang mengakselerasi partikel secara tangensial.
 
Hal ini tak sekadar menghasilkan orbit berbentuk elips, tetapi juga tidak stabil. Dalam skala waktu satu abad, orbit akan bergeser secara substansial. Pada tahun 1805, Laplace telah mengamati Bulan untuk menunjukkan bahwa kecepatan gravitasi Newton sekitar 7 juta kali lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Batasan perhitungan yang lebih modern untuk kecepatan gravitasi Newton bahkan sekitar 20 miliar kali lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Untungnya Relativitas Umum Einstein kemudian mengambil alih.

Salah satu aspek revolusioner dari gerakan relativistik yang dikemukakan oleh Einstein adalah objek yang bergerak cepat tampak berkontraksi pada ruang dan mengalami dilatasi waktu. Semakin cepat kita bergerak relatif terhadap mereka yang cenderung diam, semakin besar kontraksi jarak dan semakin kuat dilatasi waktu yang dialami. Gambaran mekanika relativistik ini menggantikan konsep lama mekanika klasik Newtonian dan membawa implikasi luar biasa untuk teori-teori yang secara relativistik tidak invarian, seperti gravitasi Newton.

Kredit: Curt Renshaw

 
Menurut Einstein, terdapat permasalahan besar secara konseptual dengan hukum gaya gravitasi Newton. Jarak antara dua benda bukanlah besaran yang absolut, melainkan tergantung pada gerak yang diamati oleh seseorang. Jika bergerak ke arah atau menjauh dari garis imajiner yang kita gambar, jarak ke arah garis imajiner akan berkontraksi, tergantung pada kecepatan relatif kita. Agar gaya gravitasi menjadi besaran yang dapat dihitung, setiap pengamat harus memperoleh hasil yang konsisten, sesuatu yang mustahil diperoleh melalui penggabungan relativitas dengan hukum gaya gravitasi Newton.
 
Oleh karena itu, kita harus mengembangkan teori untuk memadukan gravitasi dan gerakan relativistik. Berarti Relativitas Umum harus dikembangkan untuk mengurai teori gerak relativistik yang memasukkan gravitasi ke dalamnya. Setelah dipadukan, Relativitas Umum ternyata mengungkap kisah yang sangat berbeda.

Tampilan animasi respons ruang-waktu saat sebuah massa bergerak melintasinya, secara kualitatif menunjukkan bagaimana ruang melengkung karena sifat materi dan energi di alam semesta. Ruang-waktu hanya bisa dideskripsikan jika kita menambahkan sebuah benda masif dan pergerakannya sepanjang waktu. Lokasi benda saat ini dan sebelumnya menentukan gaya yang dialaminya saat bergerak melalui kosmos.

Kredit: LUCASVB

 
Agar setiap pengamat menyepakati tentang sifat gravitasi, kita harus menyisihkan ruang absolut, waktu absolut, atau sinyal yang merambat dengan kecepatan tak terhingga. Sebaliknya, ruang dan waktu harus selalu relatif bagi setiap pengamat dan sinyal hanya dapat merambat pada kecepatan yang setara dengan kecepatan cahaya (jika partikel yang merambat tidak memiliki massa) atau lebih lambat daripada kecepatan cahaya (jika partikel memiliki massa).
 
Oleh karena itu, dibutuhkan efek tambahan untuk menghilangkan percepatan tangensial non-zero, yang diinduksi oleh kecepatan gravitasi yang terbatas. Fenomena yang disebut “penyimpangan gravitasi” ini  hampir sepenuhnya dibatalkan oleh fakta bahwa Relativitas Umum juga memiliki interaksi yang bergantung pada kecepatan. Misalnya saat bergerak melintasi ruang angkasa, Bumi merasakan perubahan gaya dari Matahari saat posisi orbitnya bergeser, sama seperti sebuah perahu yang mengarungi lautan, posisinya akan naik turun karena gelombang lautan.

Radiasi gravitasi dipancarkan setiap kali ada suatu benda yang mengorbit benda yang lebih masif. Berarti dalam rentang waktu yang cukup lama, orbit akan meluruh. Sebelum lubang hitam pertama menguap, Bumi akan berputar ke bagian kiri Matahari, dengan asumsi tidak ada gaya dari objek lain yang mempengaruhinya. Bumi ditarik ke lokasi di mana Matahari berada sekitar 8 menit yang lalu, bukannya posisi yang ditempati Matahari saat ini.

Kredit: American Physical Society

 
Yang lebih luar biasa, kedua efek tersebut hampir sama persis. Kecepatan gravitasi yang terbatas adalah penyebab penyimpangan gravitasi, tetapi fakta bahwa Relativitas Umum (tidak seperti gravitasi Newton) memiliki interaksi yang bergantung pada kecepatan memungkinkan pendekatan sains menggunakan gravitasi Newton. Satu-satunya hal yang menyebabkan pembatalan adalah karena kecepatan gravitasi setara dengan kecepatan cahaya.
 
Itulah motivasi teoritis mengapa kecepatan gravitasi seharusnya setara dengan kecepatan cahaya. Jika kita ingin agar orbit planet konsisten dengan observasi dan konsisten bagi setiap pengamat, maka kecepatan gravitasi harus setara dengan “c”, agar teori kita menjadi relatif invarian. Dibutuhkan sistem kosmik yang tepat untuk mengungkap perbedaan antara prediksi Einstein dan Newton.

Ketika bergerak melalui suatu wilayah ruang yang melengkung, sebuah benda akan mengalami percepatan dan mengalami efek tambahan karena kecepatannya saat bergerak melalui suatu wilayah yang kelengkungan spasialnya terus berubah. Kombinasi kedua efek ini menghasilkan sedikit perbedaan  pada prediksi gravitasi Newton.

Kredit: David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy

 
Di lingkungan kosmik lokal kita, gaya gravitasi Matahari terlalu lemah untuk menghasilkan efek yang dapat kita ukur. Yang kita harapkan adalah sistem dengan medan gravitasi kuat dari suatu sumber masif, ketika sebuah benda yang bergerak cepat berubah dan terakselerasi dalam medan gravitasi gradien besar.
 
Matahari dianggap kurang masif untuk menghasilkan efek tersebut, tetapi lingkungan di sekitar lubang hitam biner atau bintang neutron biner bisa menyediakannya! Idealnya, sistem dengan variasi kecepatan pergerakan benda masif yang melintasi medan gravitasi yang turut berubah akan menampilkan efek yang diharapkan. Dan bintang neutron biner, dengan pulsar sebagai salah satu penyusunnya, adalah sistem yang paling ideal.

Saat mengorbit, sebuah pulsar akan menghasilkan denyut setiap kali berotasi jika sudut pandang para pengamat di Bumi kebetulan sejajar. Jika pulsar menyusun sistem biner bersama objek padat dan masif lainnya, saat bergerak melalui ruang, pulsar akan memperlihatkan efek penyimpangan gravitasi dan interaksi yang bergantung pada kecepatan. Mereka akan menghasilkan efek pembatalan yang tidak sesuai sehingga memungkinkan para ilmuwan untuk membedakan prediksi relativistik pada sistem dari gravitasi Newtonian.

Kredit: ESO/L. Calçada

 
Pulsar, khususnya pulsar milidetik, adalah jam alami terbaik di seluruh alam semesta. Saat berotasi, bintang neutron menghasilkan emisi radiasi elektromagnetik yang berpeluang sejajar dengan sudut pandang para pengamat di Bumi. Jika kebetulan sejajar, kita akan mengamati gelombang tersebut dengan akurasi dan presisi yang luar biasa.
 
Namun jika berada dalam sistem biner, maka pergerakan pulsar melalui medan gravitasi yang berubah akan menghasilkan emisi gelombang gravitasi, yang membawa energi menjauh dari sistem gravitasi. Energi yang hilang seharusnya berasal dari suatu tempat dan dapat dikompensasikan dengan peluruhan orbit pulsar. Prediksi peluruhan pulsar sangat sensitif terhadap kecepatan gravitasi, bahkan dengan menggunakan sistem pulsar biner pertama yang pernah ditemukan, PSR 1913+16 (atau biner Hulse-Taylor), memungkinkan kita untuk membatasi kecepatan gravitasi agar setara dengan kecepatan cahaya hanya dengan margin error 0,2%!

Laju peluruhan orbital pulsar biner sangat bergantung pada kecepatan gravitasi dan parameter orbital dari sistem biner. Para ilmuwan telah menggunakan data pulsar biner untuk membatasi kecepatan gravitasi agar setara dengan kecepatan cahaya hingga presisi 99,8%, termasuk untuk menyimpulkan eksistensi gelombang gravitasi selama beberapa dekade, sebelum dideteksi oleh LIGO dan Virgo.

Kredit: NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy/Michael Kramer (R)

 
Sejak saat itu, pengukuran lain juga menunjukkan kesetaraan antara kecepatan cahaya dan kecepatan gravitasi. Pada tahun 2002, Bumi, Jupiter dan quasar radio yang sangat kuat (QSO J0842+1835), secara kebetulan sejajar. Saat melintas di antara Bumi dan quasar, efek gravitasi Jupiter mendistorsi cahaya bintang dengan cara yang bergantung pada kecepatan gravitasi.
 
Faktanya, Jupiter memang mendistorsi cahaya dari quasar, memungkinkan para ilmuwan untuk mengesampingkan kecepatan tak terhingga bagi kecepatan gravitasi dan menentukan kecepatan gravitasi yang konsisten dengan kecepatan cahaya (299.792.458 meter/detik), sekaligus konsisten dengan prediksi Einstein. Bahkan observasi terbaru gelombang gravitasi memberikan batasan yang lebih akurat untuk kecepatan gravitasi.

Ilustrasi ledakan sinar gamma yang dihasilkan oleh penggabungan dua bintang neutron. Lingkungan di sekitar mereka yang melimpah dengan molekul gas dapat menunda deteksi sinyal, menjelaskan perbedaan antara 1,7 detik observasi sinyal gravitasi dan elektromagnetik. Inilah bukti observasi terbaik yang kita kantongi, bahwa kecepatan gravitasi setara dengan kecepatan cahaya.

Kredit: ESO

 
Dari deteksi pertama gelombang gravitasi dan perbedaan waktu kedatangan mereka di Hanford dan Livingston, secara langsung para ilmuwan mengetahui kecepatan gravitasi setidaknya setara dengan 70% kecepatan cahaya, karena terkendala timing pulsar. Tetapi pada tahun 2017, deteksi gelombang gravitasi dan cahaya yang berasal dari penggabungan dua bintang neutron, mengungkap fakta sinyal sinar gamma yang terdeteksi hanya 1,7 detik setelah sinyal gelombang gravitasi yang melintasi perjalanan lebih dari 100 juta tahun cahaya, menjadi bukti kuat bahwa selisih kecepatan gravitasi dan kecepatan cahaya tidak melampaui 1/10¹⁵.
 
Selama gelombang gravitasi dan foton tidak memiliki massa, hukum fisika menyatakan mereka harus merambat dengan kecepatan yang setara. Bahkan sebelum para ilmuwan mampu menetapkan batasan yang spektakuler ini, teori gravitasi harus mereproduksi orbit Newtonian secara simultan menjadi invarian relativistik yang mengarah ke kesimpulan tak terelakkan ini, kecepatan gravitasi setara dengan kecepatan cahaya.
 
Ditulis oleh: Ethan Siegel, Kontributor Senior www.forbes.com
 
Sumber: This Is Why The Speed Of Gravity Must Equal The Speed Of Light
 
#terimakasihgoogle