Oleh Dedi Junaedi
Wartawan & Dosen INAIS Bogor
Jerih payah Rainer Weiss, Barry Barish dan Kip Thorne selama lebih 47 tahun akhirnya berbuah manis. Ketiganya tak hanya membuktikan asumsi teoritis gelombang gravitasi dalam ranah empiris ekperimental. Mereka juga mendapat anugrah bergengsi: Nobel Fisika 2017.
Tiga fisikawan itu tergabung dalam kolaborasi riset Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) di Amerika Serikat. Barry Barish dan Kip Thorne berasal dari California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena, sedang Rainer Weiss berasal dari Massachusetts Institute of Technology di Cambridge.
“Penemuan mereka telah mengguncang dunia. Mereka pantas dapat apresiasi tinggi,” kata Goran K Hansson, Ketua Swedish Royal Academy of Sciences seperti dikutip AFP. Weiss, Barish dan Thorne meraih Hadiah Nobel Fisika 2017 atas kontribusi mereka menemukan gelombang gravitasi secara eksperimental.
Komite Nobel RSAS menilai capaian ketiga fisikawan itu sebagai terobosan baru dan telah membuka tabir ilmiah yang selama ini terkungkung dalam teori di atas kertas. Mereka sukses membuktikan ramalan yang telah disampaikan Albert Einstein seratus tahun lalu. Mereka beritga layak mendapat hadiah senilai sembilan juta crown Swedia (1,1 juta dolar AS).
LIGO dan Gelombang Gravitasi
Gelombang gravitasi yang diprediksi Albert Einstein seratus tahun lalu datang dari tabrakan antara dua lubang hitam. Butuh 1,3 miliar tahun bagi gelombang-gelombang itu untuk tiba dan terekam detektor LIGO di Amerika Serikat. Fenomena bersejarah ini terdeteksi pertama tahun 2015.
Waktu itu, 14 September 2015, sekitar pukul 11.51 waktu setempat, sebuah tremor gelombang gravitasi dari dua lubang hitamyang bertabrakan terakam dan mengguncang semua ruangwaktu. Seperti riak dari kerikil yang dilemparkan ke dalam air, gelombang gravitasi menyebar melalui kosmos. Meskipun bergerak dengan kecepatan cahaya, gelombang itu butuh lebih dari seribu juta tahun untuk sampai di Bumi.
LIGO, proyek kolaborasi dengan seribu lebih peneliti dari 20 lebih negara, menggunakan sepasang laser interferometer raksasa untuk mengukur fenomena langka dengan peluang yang ribuan kali lebih kecil dari ukuran inti atom saat gelombang gravitasi melalui Bumi.
LIGO bukanlah teleskop biasa untuk mendeteksi cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya dari luar angkasa. Ini adalah instrumen untuk mendengarkan gelombang gravitasi di luar angkasa. Gelombang gravitasi adalah tremor di ruangwaktu sendiri, bukan gelombang suara dengan frekuensi yang dapat terdengar telinga manusia biasa.
Tahun 19015, fisikawan Albert Einstein telah meramal adanya gelombang gravitasi sebagai dasar perumusan Teori Relativitas Umum. Dalam fisika, gelombang gravitasi adalah riak dalam lengkung ruang-waktu yang bergerak dalam bentuk gelombang menjauhi sumbernya.
Gelombang gravitasi mengangkut energi dalam bentuk radiasi gravitasi. Gelombang ini terbentuk akibat invariansi Lorentz dalam relativitas umum yang menjelaskan bahwa segala pergerakan interaksi fisik dibatasi oleh kecepatan cahaya. Sebaliknya, gelombang gravitasi tidak dapat terbentuk dalam teori gravitasi Newton yang menyatakan bahwa interaksi fisik bergerak dengan kecepatan tak hingga.
Sebelum gelombang ini terdeteksi secara eksperimental, sejatinya sudah ada bukti-bukti tak langsung mengenai keberadaannya. Misalnya, pengukuran sistem biner Hulse–Taylor menunjukkan bahwa gelombang gravitasi bukan sekadar hipotesis. Gelombang gravitasi yang dapat terdeteksi diduga berasal dari sistem bintang biner (kembar) yang terdiri atas katai putih, bintang neutron, dan lubang hitam.
Bukti Eksperimental Pertama
Pada tahun 2016, beberapa pendeteksi gelombang gravitasi dibangun oleh National Science Foundaytion (NSF). Dua di antaranya sudah berfungsi dan berhasil membuat kejutan besar. Mulai beroperasi September 2015, Tim Advaced LIGO pada 11 Februari 2016 mengumumkan bahwa mereka telah mendeteksi gelombang gravitasi dari proses menyatunya dua lubang hitam yang bertumbukan 1,3 milyar tahun lalu.
Sebenarnya, gelombang gravitasi sudah terdeteksi pada 14 September 2015 pada pukul 5:51 waktu setempat oleh dua detektor LIGO yang berlokasi di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington. Didanai oleh National Science Foundation (NSF), Observatorium LIGO dibangun dan dioperasikan oleh California Institute of Technology (Caltech) dan Massachusetts Institute of Technology (MIT). Temuan ini telah diakui dan dipublikasi oleh jurnal Physical Review Letters (PRL). Publikasi ilmiah dibuat dengan benderta LIGO Scientific Collaboration, konsorsium riset yang melibatkan para ahli dari GEO Collaboration, Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy (ACIGA), dan Virgo Collaboration dengan basis data dari dua detektor LIGO.
Bukti eksperimental itu baru diumumkan oleh NSF setelah diakui dan resmi terpublikasi di jurnal PRL. Untuk pertama kalinya para santis berhasil mengamati gelombang gravitasi dari ekspresi dua lubang hitam yang bertumbukan membentuk satu fraksi final. Tumbukan dua benda langit sangat padat telah diramalkan, namun belum pernah dapat diamati. Itu terjadi dalam waktu sekejap dari jarak yang sangat jauh. Ini mengkonfirmasi ramalan Relativitas Umum Einstein yang membuka jendela dan cakrawala baru alam semesta.
Berdasarkan analisa sinyal yang terdeteksi LIGO, para saintis memperkirakan black holes punya massa setara dengan 29 dan 36 matahari. Keduanya terbentuk sekitar 1,3 milyar tahun lalu. Setelah bergabung sebagai entitas tunggal, lubang hitam itu punya massa setara 62 matahari. Artinya, ada sekitar tiga kali masa matahari hilang terkonversi menjadi gelombang gravitasi dalam waktu satu detik. Pada saat puncak, kekuatan dayanya setara dengan 50 kali total semesta yang dapat dilihat. Detektor di Livingston merekam sekitar 7 milidetik lebih awal dari detector di Hanford. Aytas dasar itu, pasa saintis menduga sumber gelombang gravitasi ada di belahan Langit Selatan (Southern Hemisphere).
Menurut relativitas umum, sepasang lubang hitam mengorbit sekitar satu sama lain akan kehilangan energi melalui emisi gelombang gravitasi. Gelombang yang terbentuk menyebabkan mereka yang awalnya secara bertahap mendekat satu sama lain selama miliaran tahun, dan tiba-tiba mendekat jauh lebih cepat di menit akhir. Dua lubang hitam raksasa kemudian bertabrakan dengah laju hampir setengah kecepatan cahaya dan membentuk lubang hitam tunggal lebih besar. Pada saat yang sama, ada konversi sebagian dari massa lubang hitam gabungan menjadi energi, dengan rumus Einstein E = mc2. Energi ini dipancarkan sebagai ledakan akhir yang kuat dari gelombang gravitasi. Ini adalah gelombang gravitasi yang diamati detektor LIGO.
Keberadaan gelombang gravitasi diungkap 1970 dan 1980 oleh Joseph Taylor Jr dan rekan. Pada tahun 1974, Taylor dan Russell Hulse menemukan sistem biner yang terdiri dari pulsar di orbit sekitar bintang neutron. Taylor dan Joel M Weisberg pada 1982 juga menemukan bahwa orbit dari pulsar yang perlahan-lahan menyusut dari waktu ke waktu karena pelepasan energi dalam bentuk gelombang gravitasi. Untuk penemuan pulsar dan rintisan yang memungkinkan pengukuran gelombang gravitasi dapat dilakukan, Hulse dan Taylor telah dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1993.
Kolaborasi Membuka Era Baru Astronomi
Temuan bersejarah tentu saja disambut gegap gempita oleh para fisikaswan. ‘’Hasil observasi ini membayar segala jerih payah kami selamai enam bulan membangun kapasitas Lab LIGO,’’ ungkap Caltech David H Reitze, Direktur Eksekutif Laboratorium LIGO kepada Nature. “Temuan empiris i gelombang gravitasi seperti menuntaskan ambisi selama lima dekade. Ini juga semacam warisan satu abad Albert Einstein,’’ tambahnya.
“Ini hasil observasi luar biasa. Kita patut berterima kasih, mereka membuktikan rumus teoritik itu kini terkonfirmasi secata eksperimental. Temuan ini tentu amat berharga bagi pengembangan sains dan teknologi,’’ ucap Stephen Hawking, fisikawan-kosmolog dari University of Cambridge di UK. Hawking menambahkan, Einstein sendiri dulu tidak pernah percaya adanya black holes.
Pencarian bukti eksperimental gelombang gravitasi dan tumbukan blackholes terlaksana berkat kolaborasi riset ilmiah yang melibatkan banyak lembaga dan pakar. Salah satunya berkat kapasitas detektor Advanced LIGO yang luar biasa sensitif dan canggih. Sistem detector LIGO di-upgrade besar-besaran untuk meningkatkan sensitivitas instrument. Pemutakhiran — didukung oleh lebih 1.000 saintis dan 90 lembaga riset dari 20 negara– telah memungkinkan volume alam semesta yang teramati dapat meningkat jauh lebih luas.
Banyak pihak, termasuk pelopor awal LIGO seperti Rainer Weiss (profesor fisika emeritus dari MIT), Kip Thorne, Richard P Feynman, dan Ronald Drever (ketiganya profesor fisika teori Caltech) , menaruh harapan besar terhadap terobosan fisika eksperimental. “Era baru astronomi gelombang gravitasi kini telah masuk lompatan pertama,” tambah Gabriela González, profesor fisika dan astronom dari Louisiana State University.
Dedi Junaedi
