Apa arti deteksi gelombang gravitasi bagi kita?
Saya rasa semua orang sudah mengetahui bahwa beberapa hari yang lalu para ilmuwan mengumumkan penemuan gelombang gravitasi untuk pertama kalinya. Ada banyak berita tentang hal ini, di TV, di situs berita, dan di mana pun. Namun, tidak ada seorang pun yang merasa kesulitan untuk menjelaskan dalam bahasa yang mudah dipahami apa yang diberikan penemuan ini kepada kita secara praktis.
Sebenarnya semuanya sederhana, analogikan saja dengan kapal selam:
Sumber:
Deteksi kapal selam adalah tugas pertama dan utama saat melawannya. Seperti benda apapun, perahu mempengaruhi lingkungan dengan kehadirannya. Dengan kata lain, perahu mempunyai medan fisik tersendiri. Bidang fisik kapal selam yang lebih terkenal meliputi hidroakustik, magnet, hidrodinamik, listrik, elektromagnetik frekuensi rendah, serta termal dan optik. Mengisolasi bidang fisik perahu dengan latar belakang samudra (laut) mendasari metode pendeteksian utama.
Metode pendeteksian kapal selam dibagi menurut jenis medan fisiknya: Akustik, Magnetometrik, Radar, Gas, Termal, dll.
Hal yang sama dengan ruang. Kita melihat bintang melalui teleskop, mengambil foto Mars, menangkap radiasi, dan secara umum mencoba memahami langit dengan segala cara yang ada. Dan sekarang, setelah gelombang-gelombang ini terekam, metode penelitian lain telah ditambahkan - gravitasi. Kita akan dapat melihat ruang berdasarkan getaran ini.
Artinya, seperti sebuah kapal selam yang melewati laut dan meninggalkan “jejak” yang dapat digunakan untuk mengidentifikasinya, benda langit kini dapat dipelajari dari sudut yang berbeda untuk mendapatkan gambaran yang lebih lengkap dengan cara yang sama. Di masa depan, kita akan dapat melihat bagaimana gelombang gravitasi mengelilingi berbagai benda, galaksi, planet, kita akan belajar menghitung dengan lebih baik lintasan kosmik suatu benda (Dan bahkan mungkin mengenali dan memprediksi pendekatan meteorit terlebih dahulu), kita akan melihat perilaku gelombang dalam kondisi khusus, dan sebagainya.
Apa manfaatnya?
Masih belum jelas. Namun seiring berjalannya waktu, peralatan tersebut akan menjadi lebih akurat dan sensitif, dan banyak materi tentang gelombang gravitasi akan terkumpul. Berdasarkan materi-materi tersebut, pikiran yang ingin tahu akan mulai menemukan segala macam anomali, misteri dan pola. Pola dan anomali ini, pada gilirannya, akan berfungsi sebagai sanggahan atau konfirmasi terhadap teori-teori lama. Rumus matematika tambahan, hipotesis menarik akan dibuat (ilmuwan Inggris telah menemukan bahwa merpati menemukan jalan pulang menggunakan gelombang gravitasi!) dan banyak lagi. Dan pers kuning pasti akan meluncurkan beberapa mitos, seperti “tsunami gravitasi”, yang suatu hari akan datang, menutupi tata surya kita dan membunuh semua makhluk hidup. Dan Vanga akan terseret lebih jauh. Singkatnya, ini akan menyenangkan :]
Dan apa hasilnya?
Hasilnya, kita akan memiliki bidang ilmu pengetahuan yang lebih maju yang mampu memberikan gambaran dunia kita yang lebih akurat dan luas. Dan jika Anda beruntung dan para ilmuwan menemukan beberapa efek luar biasa... (Misalnya, jika dua gelombang gravitasi di bulan purnama “bertabrakan” satu sama lain pada sudut tertentu dengan kecepatan yang diperlukan, maka pusat antigravitasi lokal akan terjadi, oh -pa!)...maka kita bisa berharap untuk kemajuan ilmiah yang serius.
Kemarin, dunia dikejutkan oleh sebuah sensasi: para ilmuwan akhirnya menemukan gelombang gravitasi, yang keberadaannya telah diprediksi oleh Einstein seratus tahun lalu. Ini adalah sebuah terobosan. Distorsi ruang-waktu (ini adalah gelombang gravitasi - sekarang kami akan menjelaskan apa itu) ditemukan di observatorium LIGO, dan salah satu pendirinya adalah - menurut Anda siapa? - Kip Thorne, penulis buku.
Kami memberi tahu Anda mengapa penemuan gelombang gravitasi begitu penting, apa yang dikatakan Mark Zuckerberg dan tentu saja berbagi cerita dari sudut pandang orang pertama. Kip Thorne, tidak seperti orang lain, mengetahui cara kerja proyek ini, apa yang membuatnya tidak biasa, dan apa pentingnya LIGO bagi umat manusia. Ya, ya, semuanya sangat serius.
Penemuan gelombang gravitasi
Dunia ilmiah akan selamanya mengingat tanggal 11 Februari 2016. Pada hari ini, para peserta proyek LIGO mengumumkan: setelah banyak upaya yang sia-sia, gelombang gravitasi telah ditemukan. Ini adalah kenyataan. Faktanya, mereka ditemukan lebih awal: pada bulan September 2015, namun kemarin penemuan tersebut secara resmi diakui. The Guardian yakin para ilmuwan pasti akan menerima Hadiah Nobel Fisika.
Penyebab gelombang gravitasi adalah tumbukan dua lubang hitam yang terjadi sudah... satu miliar tahun cahaya dari Bumi. Dapatkah Anda bayangkan betapa besarnya alam semesta kita! Karena lubang hitam adalah benda yang sangat masif, mereka mengirimkan riak melalui ruang-waktu, sehingga sedikit mendistorsinya. Maka timbullah gelombang, mirip dengan gelombang yang merambat dari batu yang dilempar ke dalam air.
Beginilah cara Anda membayangkan gelombang gravitasi datang ke bumi, misalnya dari lubang cacing. Menggambar dari buku “Interstellar. Sains di balik layar"
Getaran yang dihasilkan diubah menjadi suara. Menariknya, sinyal dari gelombang gravitasi tiba pada frekuensi yang kira-kira sama dengan frekuensi ucapan kita. Jadi kita bisa mendengar dengan telinga kita sendiri bagaimana lubang hitam bertabrakan. Dengarkan seperti apa suara gelombang gravitasi.
Dan coba tebak? Baru-baru ini, lubang hitam tidak terstruktur seperti yang diperkirakan sebelumnya. Tapi tidak ada bukti sama sekali bahwa mereka ada pada prinsipnya. Dan sekarang ada. Lubang hitam benar-benar “hidup” di Alam Semesta.
Para ilmuwan meyakini seperti inilah sebuah bencana—penggabungan lubang hitam.
Pada tanggal 11 Februari, sebuah konferensi megah diadakan, yang mempertemukan lebih dari seribu ilmuwan dari 15 negara. Ilmuwan Rusia juga hadir. Dan tentu saja ada Kip Thorne. “Penemuan ini adalah awal dari pencarian manusia yang menakjubkan dan luar biasa: pencarian dan eksplorasi sisi lengkung Alam Semesta – objek dan fenomena yang tercipta dari ruang-waktu yang terdistorsi. Tabrakan lubang hitam dan gelombang gravitasi adalah contoh luar biasa pertama yang kita alami,” kata Kip Thorne.
Pencarian gelombang gravitasi telah menjadi salah satu permasalahan utama dalam fisika. Sekarang mereka telah ditemukan. Dan kejeniusan Einstein kembali terkonfirmasi.
Pada bulan Oktober, kami mewawancarai Sergei Popov, seorang astrofisikawan Rusia dan pemopuler sains yang terkenal. Dia tampak seperti sedang melihat ke dalam air! Pada musim gugur: “Bagi saya, kita sekarang berada di ambang penemuan baru, yang terutama terkait dengan karya detektor gelombang gravitasi LIGO dan VIRGO (Kip Thorne memberikan kontribusi besar pada penciptaan proyek LIGO) .” Luar biasa, bukan?
Gelombang gravitasi, detektor gelombang dan LIGO
Nah, sekarang untuk sedikit fisika. Bagi yang memang ingin memahami apa itu gelombang gravitasi. Berikut gambaran artistik garis tendensi dua lubang hitam yang mengorbit satu sama lain, berlawanan arah jarum jam, lalu bertabrakan. Garis tendex menghasilkan gravitasi pasang surut. Mari kita lanjutkan. Garis-garis tersebut, yang muncul dari dua titik terjauh satu sama lain pada permukaan sepasang lubang hitam, meregangkan segala sesuatu yang dilaluinya, termasuk teman seniman dalam gambar tersebut. Garis-garis yang keluar dari daerah tumbukan memampatkan segalanya.
Saat lubang-lubang tersebut berputar satu sama lain, lubang-lubang tersebut terbawa sepanjang garis cenderungnya, yang menyerupai aliran air dari alat penyiram yang berputar di halaman. Dalam gambar dari buku “Interstellar. Sains di balik layar" - sepasang lubang hitam yang bertabrakan, berputar satu sama lain berlawanan arah jarum jam, dan garis tendensinya.
Lubang hitam bergabung menjadi satu lubang besar; itu berubah bentuk dan berputar berlawanan arah jarum jam, menyeret garis tendensius bersamanya. Seorang pengamat yang diam jauh dari lubang akan merasakan getaran ketika garis-garis tendensius melewatinya: regangan, lalu kompresi, lalu regangan - garis-garis tendeks tersebut telah menjadi gelombang gravitasi. Saat gelombang merambat, deformasi lubang hitam berangsur-angsur berkurang, dan gelombang pun melemah.
Ketika gelombang-gelombang ini mencapai Bumi, mereka terlihat seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Mereka meregang ke satu arah dan menekan ke arah lain. Ekstensi dan kontraksi berfluktuasi (dari merah kanan-kiri, biru kanan-kiri, merah kanan-kiri, dan seterusnya) ketika gelombang melewati detektor di bagian bawah gambar.
Gelombang gravitasi melewati detektor LIGO.
Detektor terdiri dari empat cermin besar (diameter 40 kilogram, 34 sentimeter), yang dipasang pada ujung dua pipa tegak lurus yang disebut lengan detektor. Garis tendeks gelombang gravitasi meregangkan satu lengan, sambil menekan lengan kedua, dan sebaliknya, menekan lengan pertama dan meregangkan lengan kedua. Dan lagi dan lagi. Ketika panjang lengan berubah secara berkala, cermin-cermin tersebut bergeser relatif satu sama lain, dan perpindahan ini dilacak menggunakan sinar laser dengan cara yang disebut interferometri. Oleh karena itu nama LIGO: Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser.
Pusat kendali LIGO, dari mana mereka mengirimkan perintah ke detektor dan memantau sinyal yang diterima. Detektor gravitasi LIGO berlokasi di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana. Foto dari buku “Antarbintang. Ilmu di balik layar"
Kini LIGO merupakan proyek internasional yang melibatkan 900 ilmuwan dari berbagai negara, dengan kantor pusat berlokasi di California Institute of Technology.
Sisi Lengkung Alam Semesta
Lubang hitam, lubang cacing, singularitas, anomali gravitasi, dan dimensi tingkat tinggi dikaitkan dengan kelengkungan ruang dan waktu. Itu sebabnya Kip Thorne menyebut mereka "sisi alam semesta yang memutarbalikkan". Umat manusia masih memiliki sangat sedikit data eksperimen dan observasi dari sisi lengkung alam semesta. Inilah sebabnya mengapa kita sangat memperhatikan gelombang gravitasi: gelombang tersebut terbuat dari ruang melengkung dan menyediakan cara paling mudah bagi kita untuk menjelajahi sisi lengkung.
Bayangkan jika Anda hanya melihat lautan saat sedang tenang. Anda tidak akan tahu tentang arus, pusaran air, dan gelombang badai. Hal ini mengingatkan kita pada pengetahuan kita saat ini tentang kelengkungan ruang dan waktu.
Kita hampir tidak tahu apa-apa tentang bagaimana ruang melengkung dan waktu melengkung berperilaku "di tengah badai" - ketika bentuk ruang berfluktuasi dengan hebat dan ketika kecepatan waktu berfluktuasi. Ini adalah batas pengetahuan yang sangat menarik. Ilmuwan John Wheeler menciptakan istilah "geometrodinamika" untuk perubahan ini.
Yang menarik dalam bidang geometrodinamika adalah tumbukan dua lubang hitam.
Tabrakan dua lubang hitam yang tidak berputar. Model dari buku “Interstellar. Ilmu di balik layar"
Gambar di atas menunjukkan momen dua lubang hitam bertabrakan. Peristiwa seperti itu memungkinkan para ilmuwan merekam gelombang gravitasi. Model ini dibuat untuk lubang hitam yang tidak berputar. Atas: orbit dan bayangan lubang, seperti yang terlihat dari Alam Semesta kita. Tengah: ruang dan waktu melengkung, pemandangan dari massal (multidimensional hyperspace); Panah menunjukkan bagaimana ruang terlibat dalam pergerakan, dan perubahan warna menunjukkan bagaimana waktu dibelokkan. Bawah: Bentuk gelombang gravitasi yang dipancarkan.
Gelombang gravitasi dari Big Bang
Ke Kip Thorne. “Pada tahun 1975, Leonid Grischuk, teman baik saya dari Rusia, membuat pernyataan yang sensasional. Ia mengatakan bahwa pada saat Big Bang banyak gelombang gravitasi yang muncul, dan mekanisme asal usulnya (sebelumnya tidak diketahui) adalah sebagai berikut: fluktuasi kuantum (fluktuasi acak - catatan editor) medan gravitasi selama Big Bang sangat ditingkatkan oleh perluasan awal Alam Semesta dan dengan demikian menjadi gelombang gravitasi asli. Gelombang ini, jika terdeteksi, dapat memberi tahu kita apa yang terjadi saat alam semesta kita lahir.”
Jika para ilmuwan menemukan gelombang gravitasi purba, kita akan mengetahui bagaimana alam semesta dimulai.
Manusia telah memecahkan jauh semua misteri Alam Semesta. Masih banyak lagi yang akan datang.
Pada tahun-tahun berikutnya, seiring dengan meningkatnya pemahaman kita tentang Big Bang, menjadi jelas bahwa gelombang primordial ini pasti kuat pada panjang gelombang yang sepadan dengan ukuran Alam Semesta yang terlihat, yaitu miliaran tahun cahaya. Bayangkan berapa besarnya?.. Dan pada panjang gelombang yang dicakup oleh detektor LIGO (ratusan dan ribuan kilometer), gelombangnya kemungkinan besar akan terlalu lemah untuk dikenali.
Tim Jamie Bock membangun peralatan BICEP2, yang dengannya jejak gelombang gravitasi asli ditemukan. Perangkat yang terletak di Kutub Utara ditampilkan di sini saat senja, yang hanya terjadi di sana dua kali setahun.
perangkat BICEP2. Gambar dari buku Antarbintang. Ilmu di balik layar"
Dikelilingi oleh perisai yang melindungi perangkat dari radiasi dari lapisan es di sekitarnya. Di sudut kanan atas terdapat jejak radiasi latar gelombang mikro kosmik yang ditemukan - pola polarisasi. Garis medan listrik diarahkan sepanjang guratan cahaya pendek.
Jejak awal mula alam semesta
Pada awal tahun sembilan puluhan, para kosmolog menyadari bahwa gelombang gravitasi ini, yang panjangnya miliaran tahun cahaya, pasti meninggalkan jejak unik dalam gelombang elektromagnetik yang memenuhi Alam Semesta - yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik, atau radiasi latar gelombang mikro kosmik. Ini memulai pencarian Cawan Suci. Lagi pula, jika kita mendeteksi jejak ini dan menyimpulkan sifat-sifat gelombang gravitasi asli darinya, kita dapat mengetahui bagaimana alam semesta dilahirkan.
Pada bulan Maret 2014, ketika Kip Thorne sedang menulis buku ini, tim Jamie Bok, seorang kosmolog di Caltech yang berkantor di sebelah kantor Thorne, akhirnya menemukan jejak ini dalam radiasi latar gelombang mikro kosmik.
Ini adalah penemuan yang benar-benar menakjubkan, namun ada satu hal yang kontroversial: jejak yang ditemukan oleh tim Jamie bisa saja disebabkan oleh sesuatu selain gelombang gravitasi.
Jika jejak gelombang gravitasi yang muncul pada masa Big Bang memang ditemukan, berarti telah terjadi penemuan kosmologis pada tingkat yang mungkin terjadi setiap setengah abad sekali. Ini memberi Anda kesempatan untuk menyentuh peristiwa-peristiwa yang terjadi sepertriliun dari satu triliun dari satu triliun detik setelah kelahiran Alam Semesta.
Penemuan ini menegaskan teori bahwa perluasan Alam Semesta pada saat itu sangatlah cepat, dalam bahasa gaul para kosmolog – inflasi yang cepat. Dan menandakan munculnya era baru dalam kosmologi.
Gelombang gravitasi dan Antarbintang
Kemarin, pada konferensi tentang penemuan gelombang gravitasi, Valery Mitrofanov, kepala kolaborasi ilmuwan LIGO Moskow, yang mencakup 8 ilmuwan dari Universitas Negeri Moskow, mencatat bahwa plot film “Interstellar”, meskipun fantastis, tidaklah begitu fantastis. jauh dari kenyataan. Dan semua itu karena Kip Thorne adalah konsultan ilmiahnya. Thorne sendiri menyatakan harapannya bahwa dia percaya pada penerbangan berawak ke lubang hitam di masa depan. Hal itu mungkin tidak terjadi secepat yang kita inginkan, namun saat ini hal tersebut jauh lebih nyata dibandingkan sebelumnya.
Harinya tidak lama lagi ketika manusia akan meninggalkan batas galaksi kita.
Peristiwa ini menggugah pikiran jutaan orang. Mark Zuckerberg yang terkenal menulis: “Penemuan gelombang gravitasi adalah penemuan terbesar dalam ilmu pengetahuan modern. Albert Einstein adalah salah satu pahlawan saya, itulah sebabnya saya menganggap penemuan ini sangat pribadi. Seabad yang lalu, dalam kerangka Teori Relativitas Umum (GTR), ia meramalkan adanya gelombang gravitasi. Namun mereka sangat kecil untuk dideteksi sehingga kita harus mencarinya dalam asal mula peristiwa seperti Big Bang, ledakan bintang, dan tabrakan lubang hitam. Ketika para ilmuwan menganalisis data yang diperoleh, pandangan baru tentang ruang angkasa akan terbuka di hadapan kita. Dan mungkin ini akan menjelaskan asal mula alam semesta, kelahiran dan perkembangan lubang hitam. Sangat menginspirasi untuk memikirkan betapa banyak nyawa dan upaya yang telah dilakukan untuk mengungkap misteri Alam Semesta ini. Terobosan ini dimungkinkan berkat bakat para ilmuwan dan insinyur brilian, orang-orang dari berbagai negara, serta teknologi komputer terkini yang baru muncul belakangan ini. Selamat kepada semua orang yang terlibat. Einstein akan bangga padamu."
Ini adalah pidatonya. Dan ini adalah orang yang hanya tertarik pada sains. Bisa dibayangkan betapa badai emosi yang melanda para ilmuwan yang berkontribusi pada penemuan tersebut. Sepertinya kita telah menyaksikan era baru, kawan. Ini luar biasa.
P.S.: Apakah kamu menyukainya? Berlangganan buletin kami di cakrawala. Seminggu sekali kami mengirimkan surat edukasi dan memberikan diskon buku MITOS.
Mari kita ingat bahwa beberapa hari yang lalu para ilmuwan LIGO mengumumkan terobosan besar dalam bidang fisika, astrofisika, dan studi kita tentang Alam Semesta: penemuan gelombang gravitasi, yang diprediksi oleh Albert Einstein 100 tahun yang lalu. Gizmodo bertemu dengan Dr. Amber Staver dari Livingston Observatory di Louisiana, sebuah kolaborasi LIGO, untuk menanyakan lebih banyak tentang apa artinya ini bagi fisika. Kami memahami bahwa hanya dalam beberapa artikel saja akan sulit mencapai pemahaman global tentang cara baru memahami dunia kita, namun kami akan mencobanya.
Sejauh ini, sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan untuk mendeteksi gelombang gravitasi tunggal, dan ini merupakan terobosan besar. Sepertinya hal ini membuka banyak kemungkinan baru bagi astronomi - namun apakah deteksi pertama ini merupakan bukti "sederhana" bahwa deteksi itu mungkin dilakukan, atau bisakah Anda memperoleh kemajuan ilmiah lebih jauh darinya? Apa yang Anda harapkan darinya di masa depan? Akankah ada metode yang lebih sederhana untuk mendeteksi gelombang ini di masa depan?
Ini benar-benar penemuan pertama, sebuah terobosan, tetapi tujuannya selalu menggunakan gelombang gravitasi untuk melakukan astronomi baru. Daripada mencari cahaya tampak di alam semesta, kita sekarang dapat merasakan perubahan halus dalam gravitasi yang disebabkan oleh hal-hal terbesar, terkuat, dan (menurut saya) paling menarik di alam semesta - termasuk beberapa hal yang tidak pernah kita ketahui dengan menggunakan bantuan cahaya.
Kami mampu menerapkan jenis astronomi baru ini pada gelombang deteksi pertama. Dengan menggunakan apa yang telah kita ketahui tentang GTR (relativitas umum), kami dapat memprediksi seperti apa gelombang gravitasi dari objek seperti lubang hitam atau bintang neutron. Sinyal yang kami temukan cocok dengan prediksi sepasang lubang hitam, yang satu berukuran 36 kali dan yang lainnya 29 kali lebih besar dari Matahari, berputar-putar saat mereka saling mendekat. Akhirnya mereka bergabung menjadi satu lubang hitam. Jadi ini bukan hanya deteksi pertama gelombang gravitasi, tetapi juga pengamatan langsung pertama terhadap lubang hitam, karena lubang hitam tidak dapat diamati menggunakan cahaya (hanya oleh materi yang mengorbit di sekitarnya).
Mengapa Anda yakin bahwa efek asing (seperti getaran) tidak mempengaruhi hasil?
Di LIGO, kami mencatat lebih banyak data terkait lingkungan dan peralatan kami dibandingkan data yang mungkin berisi sinyal gelombang gravitasi. Alasannya adalah kita ingin seyakin mungkin bahwa kita tidak tertipu oleh efek asing atau disesatkan saat mendeteksi gelombang gravitasi. Jika kita merasakan tanah abnormal ketika sinyal gelombang gravitasi terdeteksi, kemungkinan besar kita akan menolak kandidat ini.
Video: Sekilas tentang gelombang gravitasi
Langkah lain yang kami ambil untuk memastikan kami tidak melihat sesuatu yang acak adalah dengan membuat kedua detektor LIGO melihat sinyal yang sama dalam jumlah waktu yang diperlukan gelombang gravitasi untuk bergerak di antara kedua objek. Waktu maksimum untuk perjalanan tersebut adalah sekitar 10 milidetik. Untuk memastikan kemungkinan deteksi, kita harus melihat sinyal dengan bentuk yang sama, pada waktu yang hampir bersamaan, dan data yang kita kumpulkan tentang lingkungan kita harus bebas dari anomali.
Ada banyak tes lain yang harus diambil oleh seorang kandidat, tetapi ini adalah tes yang utama.
Adakah cara praktis untuk menghasilkan gelombang gravitasi yang dapat dideteksi oleh alat tersebut? Bisakah kita membuat radio atau laser gravitasi?
Anda mengusulkan apa yang dilakukan Heinrich Hertz pada akhir tahun 1880-an untuk mendeteksi gelombang elektromagnetik dalam bentuk gelombang radio. Namun gravitasi adalah gaya fundamental terlemah yang menyatukan alam semesta. Oleh karena itu, pergerakan massa di laboratorium atau fasilitas lain yang menghasilkan gelombang gravitasi akan terlalu lemah untuk dideteksi bahkan oleh detektor seperti LIGO. Untuk menciptakan gelombang yang cukup kuat, kita harus memutar halter dengan sangat cepat sehingga dapat menembus material apa pun yang diketahui. Namun ada banyak massa bervolume besar di alam semesta yang bergerak sangat cepat, jadi kami membangun detektor yang akan mencarinya.
Akankah konfirmasi ini mengubah masa depan kita? Akankah kita bisa menggunakan kekuatan gelombang ini untuk menjelajahi luar angkasa? Mungkinkah berkomunikasi menggunakan gelombang ini?
Karena banyaknya massa yang harus bergerak dengan kecepatan ekstrem untuk menghasilkan gelombang gravitasi yang dapat dideteksi oleh detektor seperti LIGO, satu-satunya mekanisme yang diketahui untuk hal ini adalah pasangan bintang neutron atau lubang hitam yang berputar sebelum bergabung (mungkin ada sumber lain). Kemungkinan bahwa peradaban majulah yang memanipulasi materi sangatlah rendah. Secara pribadi, menurut saya bukanlah hal yang bagus untuk menemukan peradaban yang mampu menggunakan gelombang gravitasi sebagai alat komunikasi, karena gelombang gravitasi dapat dengan mudah membunuh kita.
Apakah gelombang gravitasi koheren? Apakah mungkin untuk membuat mereka koheren? Apakah mungkin untuk memfokuskannya? Apa yang akan terjadi pada benda masif yang dipengaruhi oleh pancaran gravitasi yang terfokus? Bisakah efek ini digunakan untuk meningkatkan akselerator partikel?
Beberapa jenis gelombang gravitasi dapat bersifat koheren. Bayangkan sebuah bintang neutron yang bentuknya hampir bulat sempurna. Jika berputar dengan cepat, deformasi kecil kurang dari satu inci akan menghasilkan gelombang gravitasi dengan frekuensi tertentu, yang membuatnya koheren. Namun memfokuskan gelombang gravitasi sangatlah sulit karena alam semesta transparan terhadap gelombang tersebut; gelombang gravitasi merambat melalui materi dan keluar tanpa perubahan. Anda perlu mengubah jalur setidaknya beberapa gelombang gravitasi untuk memfokuskannya. Mungkin bentuk pelensaan gravitasi yang eksotik setidaknya dapat memfokuskan sebagian gelombang gravitasi, namun akan sulit, bahkan tidak mungkin, untuk memanfaatkannya. Jika mereka bisa fokus, mereka akan tetap lemah sehingga saya tidak bisa membayangkan kegunaan praktisnya. Namun mereka juga berbicara tentang laser, yang pada dasarnya hanya memfokuskan cahaya koheren, jadi siapa yang tahu.
Berapa kecepatan gelombang gravitasi? Apakah ia mempunyai massa? Jika tidak, bisakah ia bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya?
Gelombang gravitasi diyakini merambat dengan kecepatan cahaya. Ini adalah kecepatan yang dibatasi oleh relativitas umum. Namun eksperimen seperti LIGO harus menguji hal ini. Mungkin mereka bergerak sedikit lebih lambat dari kecepatan cahaya. Jika demikian, maka partikel teoritis yang berhubungan dengan gravitasi, graviton, akan memiliki massa. Karena gravitasi sendiri bekerja di antara massa, hal ini akan menambah kompleksitas teori. Namun bukan ketidakmungkinan. Kami menggunakan pisau cukur Occam: penjelasan paling sederhana biasanya paling benar.
Seberapa jauh Anda harus menjauh dari penggabungan lubang hitam untuk dapat membicarakannya?
Dalam kasus lubang hitam biner yang kami deteksi dari gelombang gravitasi, mereka menghasilkan perubahan maksimum pada panjang lengan 4 kilometer kami sebesar 1 x 10 -18 meter (yaitu 1/1000 diameter proton). Kami juga percaya bahwa lubang hitam ini berjarak 1,3 miliar tahun cahaya dari Bumi.
Sekarang anggaplah kita memiliki tinggi dua meter dan kita mengambang pada jarak Bumi ke Matahari dari lubang hitam. Saya pikir Anda akan mengalami perataan dan peregangan bergantian sekitar 165 nanometer (tinggi badan Anda berubah lebih banyak sepanjang hari). Ini bisa bertahan.
Dalam cara baru untuk mendengarkan kosmos, apa yang paling diminati para ilmuwan?
Potensinya belum sepenuhnya diketahui, dalam artian mungkin terdapat lebih banyak tempat dari yang kita duga. Semakin banyak kita belajar tentang Alam Semesta, semakin baik kita mampu menjawab pertanyaan-pertanyaannya dengan menggunakan gelombang gravitasi. Misalnya, ini:
- Apa yang menyebabkan ledakan sinar gamma?
- Bagaimana perilaku materi dalam kondisi ekstrem bintang yang runtuh?
- Apa momen pertama setelah Big Bang?
- Bagaimana perilaku materi pada bintang neutron?
Tapi saya lebih tertarik pada hal-hal tak terduga yang bisa ditemukan dengan menggunakan gelombang gravitasi. Setiap kali orang mengamati Alam Semesta dengan cara baru, kami menemukan banyak hal tak terduga yang mengubah pemahaman kami tentang Alam Semesta. Saya ingin menemukan gelombang gravitasi ini dan menemukan sesuatu yang belum pernah kita ketahui sebelumnya.
Akankah ini membantu kita membuat warp drive yang sebenarnya?
Karena gelombang gravitasi berinteraksi lemah dengan materi, gelombang gravitasi sulit digunakan untuk memindahkan materi tersebut. Tapi kalaupun bisa, gelombang gravitasi hanya bergerak dengan kecepatan cahaya. Mereka tidak cocok untuk warp drive. Itu akan sangat keren.
Bagaimana dengan perangkat anti gravitasi?
Untuk membuat alat anti gravitasi, kita perlu mengubah gaya tarik menarik menjadi gaya tolak menolak. Meskipun gelombang gravitasi menyebarkan perubahan gravitasi, perubahan tersebut tidak akan pernah bersifat tolak menolak (atau negatif).
Gravitasi selalu menarik karena massa negatif sepertinya tidak ada. Toh ada muatan positif dan negatif, kutub magnet utara dan selatan, tapi hanya bermassa positif. Mengapa? Jika ada massa negatif, bola materi akan jatuh ke atas, bukan ke bawah. Ia akan ditolak oleh massa positif Bumi.
Apa artinya ini bagi kemampuan penjelajahan waktu dan teleportasi? Bisakah kita menemukan penerapan praktis untuk fenomena ini, selain mempelajari Alam Semesta kita?
Saat ini, cara terbaik untuk melakukan perjalanan dalam waktu (dan hanya ke masa depan) adalah dengan melakukan perjalanan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya (ingat paradoks kembar dalam Relativitas Umum) atau pergi ke daerah dengan gravitasi yang meningkat (perjalanan waktu semacam ini telah didemonstrasikan). di Antarbintang). Karena gelombang gravitasi merambatkan perubahan gravitasi, ia akan menghasilkan fluktuasi yang sangat kecil dalam kecepatan waktu, namun karena gelombang gravitasi pada dasarnya lemah, fluktuasi waktu juga demikian. Dan meskipun menurut saya ini tidak dapat diterapkan pada perjalanan waktu (atau teleportasi), jangan pernah mengatakan tidak (saya yakin ini akan membuat Anda takjub).
Akankah suatu hari nanti kita berhenti memvalidasi Einstein dan mulai mencari hal-hal aneh lagi?
Tentu! Karena gravitasi adalah gaya yang paling lemah, maka eksperimen ini juga sulit dilakukan. Hingga saat ini, setiap kali para ilmuwan menguji relativitas umum, mereka mendapatkan hasil yang diprediksi secara tepat. Bahkan penemuan gelombang gravitasi sekali lagi membenarkan teori Einstein. Namun saya yakin ketika kita mulai menguji detail terkecil dari teori tersebut (mungkin dengan gelombang gravitasi, mungkin dengan hal lain), kita akan menemukan hal-hal yang “lucu”, seperti hasil eksperimen yang tidak persis sesuai dengan prediksi. Ini tidak berarti GTR salah, hanya perlu memperjelas detailnya.
Video: Bagaimana gelombang gravitasi meledakkan Internet?
Setiap kali kita menjawab satu pertanyaan tentang alam, muncul pertanyaan baru. Pada akhirnya kita akan mempunyai pertanyaan-pertanyaan yang lebih keren daripada jawaban-jawaban yang dapat diberikan oleh relativitas umum.
Bisakah Anda menjelaskan bagaimana penemuan ini mungkin berhubungan atau mempengaruhi teori medan terpadu? Apakah kita semakin dekat untuk mengonfirmasi atau membantahnya?
Sekarang hasil penemuan kami terutama ditujukan untuk menguji dan mengkonfirmasi relativitas umum. Teori medan terpadu berupaya menciptakan teori yang menjelaskan fisika yang sangat kecil (mekanika kuantum) dan yang sangat besar (relativitas umum). Kini kedua teori ini dapat digeneralisasikan untuk menjelaskan skala dunia tempat kita hidup, namun tidak lebih. Karena penemuan kami berfokus pada fisika yang sangat besar, penemuan ini tidak akan banyak membantu memajukan kita menuju teori terpadu. Tapi bukan itu pertanyaannya. Bidang fisika gelombang gravitasi baru saja lahir. Ketika kita mempelajari lebih lanjut, kita pasti akan memperluas hasil kita ke dalam bidang teori terpadu. Tapi sebelum berlari, kamu harus berjalan.
Kini setelah kita mendengarkan gelombang gravitasi, apa yang harus didengar para ilmuwan agar bisa meledakkan batu bata? 1) Pola/struktur yang tidak wajar? 2) Sumber gelombang gravitasi dari daerah yang kita anggap kosong? 3) Rick Astley - Tidak akan pernah menyerah?
Ketika saya membaca pertanyaan Anda, saya langsung teringat adegan dari Kontak di mana teleskop radio menangkap pola bilangan prima. Hal ini tidak mungkin ditemukan di alam (sejauh yang kami tahu). Jadi kemungkinan besar pilihan Anda dengan pola atau struktur yang tidak alami.
Saya rasa kita tidak akan pernah bisa yakin bahwa ada kekosongan di wilayah ruang tertentu. Pada akhirnya, sistem lubang hitam yang kami temukan terisolasi dan tidak ada cahaya yang datang dari wilayah tersebut, namun kami masih mendeteksi gelombang gravitasi di sana.
Mengenai musik... Saya mengkhususkan diri dalam memisahkan sinyal gelombang gravitasi dari kebisingan statis yang terus-menerus kita ukur di lingkungan latar belakang. Jika saya menemukan musik dalam gelombang gravitasi, apalagi musik yang pernah saya dengar sebelumnya, itu adalah hoax. Tapi musik yang belum pernah didengar di Bumi... Ini akan seperti kasus sederhana dari “Kontak”.
Karena percobaan mendeteksi gelombang dengan mengubah jarak antara dua benda, apakah amplitudo suatu arah lebih besar dari arah lainnya? Jika tidak, bukankah data yang dibaca berarti bahwa alam semesta sedang berubah ukurannya? Dan jika ya, apakah ini mengkonfirmasi perluasan atau sesuatu yang tidak terduga?
Kita perlu melihat banyak gelombang gravitasi yang datang dari berbagai arah di alam semesta sebelum kita bisa menjawab pertanyaan ini. Dalam astronomi, hal ini menciptakan model populasi. Ada berapa jenis benda yang berbeda? Ini adalah pertanyaan utama. Ketika kita melakukan banyak pengamatan dan mulai melihat pola-pola yang tidak terduga, misalnya gelombang gravitasi jenis tertentu datang dari bagian tertentu di Alam Semesta dan tidak berasal dari tempat lain, ini akan menjadi hasil yang sangat menarik. Beberapa pola dapat mengkonfirmasi perluasan (yang kami sangat yakini) atau fenomena lain yang belum kami sadari. Tapi pertama-tama kita perlu melihat lebih banyak gelombang gravitasi.
Saya benar-benar tidak dapat memahami bagaimana para ilmuwan menentukan bahwa gelombang yang mereka ukur berasal dari dua lubang hitam supermasif. Bagaimana cara menentukan sumber gelombang dengan akurasi seperti itu?
Metode analisis data menggunakan katalog prediksi sinyal gelombang gravitasi untuk dibandingkan dengan data kami. Jika ada korelasi yang kuat dengan salah satu prediksi atau pola ini, maka kita tidak hanya mengetahui bahwa itu adalah gelombang gravitasi, tetapi kita juga mengetahui sistem apa yang menghasilkannya.
Setiap cara gelombang gravitasi tercipta, baik melalui penggabungan lubang hitam, bintang yang berputar, atau kematian bintang, semua gelombang memiliki bentuk yang berbeda. Saat kami mendeteksi gelombang gravitasi, kami menggunakan bentuk-bentuk ini, seperti yang diprediksi oleh relativitas umum, untuk menentukan penyebabnya.
Bagaimana kita tahu bahwa gelombang ini berasal dari tumbukan dua lubang hitam dan bukan peristiwa lain? Apakah mungkin untuk memprediksi di mana atau kapan peristiwa tersebut terjadi dengan tingkat keakuratan tertentu?
Setelah kita mengetahui sistem mana yang menghasilkan gelombang gravitasi, kita dapat memperkirakan seberapa kuat gelombang gravitasi tersebut di dekat tempat asalnya. Dengan mengukur kekuatannya saat mencapai Bumi dan membandingkan pengukuran kami dengan prediksi kekuatan sumbernya, kami dapat menghitung seberapa jauh jarak sumbernya. Karena gelombang gravitasi merambat dengan kecepatan cahaya, kita juga dapat menghitung berapa lama gelombang gravitasi tersebut merambat menuju Bumi.
Dalam kasus sistem lubang hitam yang kami temukan, kami mengukur perubahan maksimum panjang lengan LIGO per 1/1000 diameter proton. Sistem ini terletak 1,3 miliar tahun cahaya. Gelombang gravitasi, yang ditemukan pada bulan September dan diumumkan baru-baru ini, telah bergerak ke arah kita selama 1,3 miliar tahun. Hal ini terjadi sebelum kehidupan hewan terbentuk di Bumi, namun setelah munculnya organisme multiseluler.
Pada saat pengumuman, disebutkan bahwa detektor lain akan mencari gelombang dengan periode yang lebih lama - beberapa di antaranya bahkan bersifat kosmik. Apa yang dapat Anda ceritakan kepada kami tentang detektor besar ini?
Memang ada detektor ruang angkasa yang sedang dikembangkan. Ini disebut LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Karena berada di luar angkasa, ia akan cukup sensitif terhadap gelombang gravitasi frekuensi rendah, tidak seperti detektor bumi, yang disebabkan oleh getaran alami bumi. Hal ini akan sulit dilakukan karena satelit harus ditempatkan lebih jauh dari Bumi dibandingkan jarak yang pernah dilakukan manusia. Jika terjadi kesalahan, kita tidak akan bisa mengirim astronot untuk melakukan perbaikan seperti yang dilakukan Hubble pada tahun 1990an. Untuk menguji teknologi yang diperlukan, misi LISA Pathfinder diluncurkan pada bulan Desember. Sejauh ini, dia telah menyelesaikan semua tugasnya, namun misinya masih jauh dari selesai.
Mungkinkah mengubah gelombang gravitasi menjadi gelombang suara? Dan jika ya, seperti apa bentuknya?
Bisa. Tentu saja, Anda tidak hanya akan mendengar gelombang gravitasi. Namun jika Anda mengambil sinyal dan meneruskannya melalui speaker, Anda dapat mendengarnya.
Apa yang harus kita lakukan dengan informasi ini? Apakah objek astronomi lain yang bermassa besar juga memancarkan gelombang ini? Bisakah gelombang digunakan untuk menemukan planet atau lubang hitam sederhana?
Saat mencari nilai gravitasi, yang penting bukan hanya massa. Juga percepatan yang melekat pada suatu benda. Lubang hitam yang kami temukan berputar satu sama lain dengan kecepatan 60% kecepatan cahaya saat bergabung. Itu sebabnya kami dapat mendeteksinya selama merger. Namun kini tidak ada lagi gelombang gravitasi yang memancar darinya, karena mereka telah menyatu menjadi satu massa yang tidak aktif.
Jadi apapun yang mempunyai massa besar dan bergerak sangat cepat akan menimbulkan gelombang gravitasi yang dapat dideteksi.
Planet ekstrasurya kemungkinan besar tidak memiliki massa atau percepatan yang cukup untuk menghasilkan gelombang gravitasi yang dapat dideteksi. (Saya tidak mengatakan mereka tidak menciptakannya sama sekali, hanya saja mereka tidak akan cukup kuat atau pada frekuensi yang berbeda). Bahkan jika planet ekstrasurya cukup besar untuk menghasilkan gelombang yang diperlukan, percepatannya akan menghancurkannya. Jangan lupa bahwa planet yang paling masif cenderung merupakan planet gas raksasa.
Seberapa benarkah analogi gelombang dalam air? Bisakah kita menaiki ombak ini? Apakah “puncak” gravitasi memang ada, seperti halnya “sumur” yang sudah diketahui?
Karena gelombang gravitasi dapat bergerak melalui materi, tidak ada cara untuk mengendalikan atau memanfaatkannya sebagai tenaga penggerak. Jadi tidak ada selancar gelombang gravitasi.
"Puncak" dan "sumur" itu bagus. Gravitasi selalu menarik karena tidak ada massa negatif. Kita tidak tahu alasannya, tapi hal ini belum pernah diamati di laboratorium atau di alam semesta. Oleh karena itu, gravitasi biasanya direpresentasikan sebagai “sumur”. Massa yang bergerak sepanjang “sumur” ini akan jatuh lebih dalam; Beginilah cara kerja atraksi. Jika Anda memiliki massa negatif, maka Anda akan mendapatkan tolakan, dan dengan itu terjadi “puncak”. Massa yang bergerak pada “puncak” akan membelok menjauhinya. Jadi “sumur” itu ada, tetapi “puncaknya” tidak.
Analogi dengan air boleh saja, asalkan kita berbicara tentang fakta bahwa kekuatan gelombang berkurang seiring dengan jarak yang ditempuh dari sumbernya. Gelombang air akan semakin mengecil, dan gelombang gravitasi akan semakin lemah.
Bagaimana penemuan ini mempengaruhi gambaran kita tentang periode inflasi Big Bang?
Saat ini, penemuan ini hampir tidak berdampak pada inflasi. Untuk membuat pernyataan seperti ini, kita harus mengamati sisa gelombang gravitasi Big Bang. Proyek BICEP2 mengira mereka telah mengamati gelombang gravitasi ini secara tidak langsung, namun ternyata debu kosmiklah yang menjadi penyebabnya. Jika ia mendapatkan data yang benar, hal ini juga akan mengkonfirmasi adanya inflasi dalam periode singkat tak lama setelah Big Bang.
LIGO akan dapat melihat gelombang gravitasi ini secara langsung (ini juga merupakan jenis gelombang gravitasi terlemah yang kami harap dapat dideteksi). Jika kita melihatnya, kita akan dapat melihat jauh ke masa lalu Alam Semesta, sesuatu yang belum pernah kita lihat sebelumnya, dan menilai inflasi berdasarkan data yang diperoleh.
Sepertinya kita akan berbicara banyak tentang gelombang gravitasi dalam beberapa hari mendatang. Namun mengapa terkadang gelombang ini secara keliru disebut sebagai “gelombang gravitasi”? Di dunia media sosial ini, di mana keringkasan sering kali diutamakan, sepertinya menyingkat frasa “gelombang gravitasi” menjadi “gelombang gravitasi” bukanlah masalah besar. Selain itu, ini menyimpan beberapa karakter tambahan untuk pecinta Twitter!
Dan Anda mungkin akan melihat banyak berita utama yang menggembar-gemborkan "gelombang gravitasi sains" yang digantikan dengan kata "gravitasi", namun jangan sampai terjebak dalam perangkap tersebut. Meskipun kedua kata tersebut memiliki bobot, pada dasarnya gelombang gravitasi dan gelombang gravitasi adalah “makhluk” yang sangat berbeda. Baca terus untuk mengetahui perbedaannya, dan bahkan tunjukkan pengetahuan gravitasi Anda kepada teman-teman Anda di pub lain kali.
Gelombang gravitasi, dalam pengertian paling umum, adalah riak dalam ruang dan waktu. Teori relativitas umum Einstein meramalkan keberadaannya lebih dari seratus tahun yang lalu, dan mereka terbentuk oleh percepatan (atau sebenarnya perlambatan) benda-benda masif di ruang angkasa. Jika sebuah bintang meledak sebagai supernova, gelombang gravitasi membawa energi ledakan tersebut dengan kecepatan cahaya. Jika dua lubang hitam bertabrakan maka akan menimbulkan riak dalam ruang dan waktu, mirip dengan riak di kolam tempat pelemparan kerikil. Jika dua bintang neutron mengorbit satu sama lain dalam jarak yang sangat dekat, energi yang terbawa dari sistem disebut gelombang gravitasi. Jika kita dapat mendeteksi dan mengamati gelombang-gelombang ini, seperti yang mungkin dapat dilakukan oleh era baru astronomi gelombang gravitasi, maka kita akan belajar mengenali gelombang gravitasi dan menangani fenomena yang menghasilkannya. Misalnya, ledakan gelombang gravitasi yang tiba-tiba dapat mengindikasikan bahwa gelombang tersebut berasal dari ledakan supernova, sedangkan sinyal osilasi yang terus menerus dapat menunjukkan kedekatan orbit dua lubang hitam sebelum keduanya bergabung.
Sejauh ini, gelombang gravitasi masih bersifat teoretis, meskipun terdapat bukti tidak langsung yang kuat. Menariknya, ketika gelombang gravitasi bergerak melintasi ruang angkasa, secara fisik mereka akan merusak "jaringan" ruang, yaitu, sedikit menyusutkan atau memperluas ruang di antara dua benda. Efeknya dapat diabaikan, namun dengan menggunakan interferometer laser seperti Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory atau LIGO, yang mengukur gangguan kecil pada laser yang dipantulkan sepanjang 2,5 kilometer terowongan vakum berbentuk L, perambatan gelombang gravitasi di seluruh planet kita dapat dideteksi. . Dalam kasus LIGO, ada 2 stasiun yang terletak di sisi berlawanan Amerika, terpisah hampir 2000 mil. Jika sinyal gelombang gravitasi itu nyata, tandanya akan teramati di kedua tempat; jika itu adalah sinyal palsu (yaitu, truk baru saja lewat), maka hanya satu stasiun yang akan mendeteksi sinyal tersebut. Meskipun LIGO mulai beroperasi pada tahun 2002, LIGO belum mendeteksi gelombang gravitasi. Namun pada bulan September 2015 sistem ini ditingkatkan menjadi LIGO Tingkat Lanjut dan ada harapan bahwa pada hari Kamis para fisikawan akhirnya akan memberi kita kabar baik.
Bonus: Gelombang gravitasi primer. Anda mungkin ingat keributan dengan "penemuan" (dan kemudian non-deteksi) gelombang gravitasi BICEP2 dalam "cahaya" primordial samar dari Big Bang yang dikenal sebagai latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Meskipun "penemuan" BICEP2 tidak ada harapan, diyakini bahwa gangguan gravitasi kecil di sekitar masa Big Bang mungkin meninggalkan "jejak" mereka pada radiasi kuno ini sebagai jenis cahaya terpolarisasi khusus. Jika jejak gelombang gravitasi primordial (yang dihasilkan oleh Big Bang) diamati, maka beberapa model inflasi kosmik dan gravitasi kuantum dapat terkonfirmasi.
Namun, ini bukanlah gelombang gravitasi yang diburu LIGO. LIGO (dan observatorium sejenisnya) mencari gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh peristiwa energik yang saat ini terjadi di Alam Semesta modern kita. Perburuan gelombang gravitasi primer ibarat penggalian arkeologis masa lalu alam semesta kita.
Gelombang gravitasi adalah gangguan fisik yang didorong oleh gaya gravitasi restoratif di lingkungan planet. Dengan kata lain, gelombang gravitasi hanya merupakan karakteristik atmosfer planet dan perairan. Dalam kasus atmosfer, udara berhembus melintasi lautan dan kemudian, saat bertemu dengan sebuah pulau, misalnya, udara terpaksa naik. Di sisi bawah angin, udara akan dipaksa ke ketinggian yang lebih rendah karena gravitasi, namun daya apungnya akan bekerja melawan gravitasi, sehingga menyebabkan udara naik kembali. Akibatnya, seringkali wilayah udara yang berosilasi di atmosfer dapat menghasilkan awan di puncak gelombang. Contoh gelombang gravitasi adalah gelombang angin, pasang surut, dan tsunami.
Jadi, ternyata gravitasi menggerakkan gelombang gravitasi dan gelombang gravitasi, namun keduanya memiliki sifat yang sangat berbeda sehingga tidak perlu bingung.
