Deteksi Latar Belakang Gelombang Gravitasi Kunci Pengungkapan Evolusi Alam Semesta

Gelombang yang dihasilkan oleh peristiwa di alam semesta yang terjadi di masa lalu akan dapat mendeteksi latar belakang gelombang gravitasi. Menemukan latar belakang gelombang gravitasi akan membuat pemahaman para ilmuwan tentang alam semesta dan evolusinya kian terbuka.

Pada setiap terjadi supernova atau ledakan bintang supermasif, setiap penggabungan antara bintang neutron atau lubang hitam, seharusnya menjadi sumber gelombang gravitasi. Demikian juga pada bintang neutron (objek bintang terkecil dan terpadat di alam semesta) tunggalyang berputar cepat.

Begitu pula dengan peristiwa inflasi atau pengembangan ruang yang cepat setelahBig Bangyang terjadi pada 13,8 miliar tahun, fenomena ini seharusnya menghasilkan aliran gelombang gravitasinya sendiri.

Gelombang gravitasi yang terjadi seperti batu yang dilemparkan ke dalam kolam. Peristiwa masif ini seharusnya mengirimkan riak yang bergema melalui jalinan ruang-waktu ekspansi samar dan kontraksi ruang yang dapat dideteksi sebagai perbedaan dalam apa yang seharusnya menjadi sinyal waktu yang tepat.

Secara kolektif, campuran sinyal ini bergabung untuk membentuk dengungan acak atau 'stokastik' yang dikenal sebagai latar belakang gelombang gravitasi (gravitational wave background/GWB). Hal ini mungkin salah satu deteksi yang paling dicari dalam astronomi gelombang gravitasi.

Diperkirakan sama seperti penemuan latar belakang gelombang mikro kosmik sebelumnya bahwa menemukan latar belakang gelombang gravitasi akan membuat pemahaman para ilmuwantentang alam semesta beserta evolusinya.

"Mendeteksi latar belakang stokastik radiasi gravitasi dapat memberikan banyak informasi tentang populasi sumber astrofisika dan proses di alam semesta paling awal, yang tidak dapat diakses dengan cara lain," jelas fisikawan teoretis Susan Scott dari Universitas Nasional Australia dan Pusat ARC.

"Misalnya, radiasi elektromagnetik tidak memberikan gambaran alam semesta lebih awal dari waktu hamburan terakhir (sekitar 400.000 tahun setelahBig Bang). Gelombang gravitasi, bagaimanapun, dapat memberi kita informasi sejak permulaan inflasi, hanya 10-32 detik setelahBig Bang," terang dia.

Untuk memahami pentingnya latar belakang gelombang gravitasi, maka harus dibahas secara sekilas tentang peninggalan lain dariBig Bangyaitu latar belakang gelombang mikro kosmik, (cosmic microwave background/CMB).

Beberapa saat setelah alam semesta mulai berdetak dan ruang angkasa mulai mendingin, buih yang menggelegak yang semuanya membeku menjadi sup partikel subatomik dalam bentuk plasma terionisasi. Radiasi apa pun yang muncul bersamanya tersebar, mencegahnya mencapai jarak yang sangat jauh.

Baru setelah partikel-partikel subatomik ini bergabung kembali menjadi atom, sebuah era yang dikenal sebagai Zaman Rekombinasi (epoch of recombination). Pada saat itu cahaya dapat dengan bebas bergerak melalui alam semesta dan turun selama ribuan tahun.

Kilatan cahaya pertama menerobos ruang angkasa sekitar 380.000 tahun setelahBig Bang, dan, saat alam semesta tumbuh dan berkembang dalam miliaran tahun berikutnya, saat cahaya ini terseret ke setiap sudut dan cahaya itu masih ada hingga hari ini.

"Radiasi ini sangat redup tetapi dapat dideteksi, terutama dalam panjang gelombang gelombang mikro. Ini adalah CMB, cahaya pertama di alam semesta," kata Scott kepadaScience Alert.

Ketidakteraturan cahaya ini, disebut sebagai anisotropi, disebabkan oleh fluktuasi suhu kecil yang diwakili oleh cahaya pertama. Sulit untuk melebih-lebihkan betapa fenomenal penemuannya karena CMB adalah satu-satunya penyelidikan yang dimiliki tentang keadaan alam semesta awal.

Penemuan latar belakang gelombang gravitasi akan menjadi replikasi luar biasa dari pencapaian ini. "Kami mengharapkan deteksi dan analisis latar belakang gelombang gravitasi untuk merevolusi pemahaman kita tentang alam semesta," kata Scott. "Dengan cara yang sama dipelopori oleh pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik dan anisotropinya," imbuh dia.

Revolusi Pemahaman

Deteksi pertama gelombang gravitasi dilakukan pada 2015. Dua lubang hitam yang bertabrakan kira-kira 1,4 miliar tahun lalu mengirimkan riak yang menyebar dengan kecepatan cahaya. DiBumi, ekspansi dan kontraksi ruang-waktu ini secara samar-samar memicu instrumen yang dirancang dan disempurnakan selama beberapa dekade, menunggu untuk mendeteksi peristiwa semacam itu.

Deteksi yang dilakukan cukup monumental karena beberapa alasan, yaitu memberi konfirmasi langsung, untuk pertama kalinya, tentang keberadaan lubang hitam. Selanjutnya mengkonfirmasi prediksi yang dibuat oleh Teori Relativitas Umum 100 tahun sebelumnya bahwa gelombang gravitasi itu nyata.

Dan itu berarti alat ini, interferometer gelombang gravitasi, yang telah dikerjakan para ilmuwan selama bertahun-tahun akan merevolusi pemahaman tentang lubang hitam. Sebelumnya interferometer LIGO dan Virgo telah mendeteksi hampir 100 peristiwa gelombang gravitasi hingga saat ini sehingga menghasilkan sinyal yang ditandai dalam data.

Interferometer ini menggunakan laser yang menyinari terowongan khusus sepanjang beberapa kilometer. Laser ini dipengaruhi oleh peregangan dan pemerasan ruang-waktu yang dihasilkan oleh gelombang gravitasi, menghasilkan pola interferensi yang darinya para ilmuwan dapat menyimpulkan sifat benda padat yang menghasilkan sinyal.

Tapi latar belakang gelombang gravitasi adalah binatang yang berbeda.

"Latar belakang astrofisika dihasilkan oleh kebisingan yang membingungkan dari banyak sumber astrofisika yang lemah, independen, dan belum terselesaikan," kata Scott. "Detektor gelombang gravitasi berbasis darat kita LIGO dan Virgo telah mendeteksi gelombang gravitasi dari puluhan penggabungan individu sepasang lubang hitam, tetapi latar belakang astrofisika dari penggabungan lubang hitam biner massa bintang diharapkan menjadi sumber utamalatar belakang gelombang gravitasi untuk generasi detektor saat ini. Kita tahu bahwa ada sejumlah besar penggabungan ini yang tidak dapat diselesaikan satu per satu, dan bersama-sama mereka menghasilkan dengungan acak di detektor," urai dia.

Tingkat di mana lubang hitam biner bertabrakan di alam semesta tidak diketahui, tetapi tingkat di mana ilmuwan dapat mendeteksinya bisa memberikan garis dasar untuk membuat perkiraan. hay/I-1

Mengurai Kebisingan GelombangPeristiwa yang Terjadi

Evolusi alam semesta dengan mendeteksi latar belakang gelombang gravitasi dilakukan untuk mengetahui latar belakang astrofisika. Hal yang dilakukan adalah mengungkapkan perilaku lubang hitam di seluruh alam semesta, dan latar belakang kosmologisfluktuasi kuantum yang terlihat padacosmic microwave background(CMB), inflasi, dan dariBig Bangitu sendiri.

Sinyal acak individu dari latar belakang gelombang gravitasi dari bermacam peristiwa ini mungkin akan terlalu redup untuk dideteksi tetapi akan digabungkan untuk menciptakan kebisingan latar belakang yang statis. Ahli astrofisika membandingkannya dengan suara mirip letusanpopcorn.

Ini akan menjadi sumber sinyal gelombang gravitasi stokastik yang diharapkan untuk ditemukan dengan instrumen seperti interferometer LIGO dan Virgo. Instrumen ini sedang menjalani perawatan dan persiapan dan akan bergabung dengan observatorium ketiga, KAGRA di Jepang, dalam pengamatan baru yang dioperasikan pada Maret 2023.

Deteksi suara dari letusanpopcorndari belakang gelombang gravitasi (gravitational wave background/GWB) melalui kolaborasi ini tidak diragukan lagi. Ini bukan satu-satunya alat dalam perangkat gelombang gravitasi karena para ilmuwan masih memiliki alat lain yaituLaser Interferometer Space Antenna (LISA).

LISA yang sedang dirancang bertujuan untuk dapat mendeteksi sumber lain dari latar belakang gelombang gravitasi. Namun sayangnya alat tersebut masih akan terwujud 15 tahun lagi atau tepatnya pada 2037.

LISA didasarkan pada teknologi yang sama dengan LIGO dan Virgo, tetapi dengan "lengan" yang panjangnya 2,5 juta kilometer. Ini akan beroperasi dalam rezim frekuensi yang jauh lebih rendah daripada LIGO dan Virgo dan karenanya akan mendeteksi berbagai jenis peristiwa gelombang gravitasi.

"GWB tidak selalu seperti letusanpopcorn," kata jelas fisikawan teoretis Susan Scott dari Universitas Nasional Australia dan Pusat ARC. "Mereka juga dapat terdiri dari sinyal deterministik individu yang tumpang tindih dalam waktu menghasilkan kebisingan kebingungan, mirip dengan percakapan latar belakang di sebuah pesta. Contoh kebisingan kebingungan adalah radiasi gravitasi yang dihasilkan oleh populasi galaksi biner katai putih kompak," tutur dia.

"Ini akan menjadi sumber kebisingan kebingungan yang penting untuk LISA. Dalam hal ini, sinyal stokastik sangat kuat sehingga menjadi latar depan, bertindak sebagai sumber kebisingan tambahan saat mencoba mendeteksi sinyal gelombang gravitasi lemah lainnya di pita frekuensi yang sama," imbuh dia.

LISA secara teoritis juga dapat mendeteksi sumber kosmologis dari latar belakang gelombang gravitasi, seperti inflasi kosmik tepat setelah Big Bang atau string kosmik retakan teoretis di alam semesta yang dapat terbentuk pada akhir inflasi, dan kehilangan energi melalui gelombang gravitasi. hay/I-1