Gelombang Gravitasi: Riak Luar Biasa yang Mengungkap Rahasia Alam Semesta

Alam semesta kita adalah tempat yang penuh dengan keajaiban dan misteri. Salah satu misteri terbesar yang kini mulai kita pahami adalah adanya gelombang gravitasi, riak tak terlihat pada "kain" alam semesta yang kita sebut ruang-waktu. Penemuan ini adalah pencapaian luar biasa dalam ilmu pengetahuan modern, membuka era baru dalam cara kita mengamati dan memahami kosmos.

Ide tentang gelombang gravitasi pertama kali dicetuskan oleh Albert Einstein pada tahun 1916 dalam teori relativitas umum. Einstein menggambarkan alam semesta sebagai sebuah kesatuan empat dimensi yang disebut ruang-waktu. Benda-benda yang memiliki massa, terutama yang sangat besar, menyebabkan ruang-waktu ini melengkung. Bayangkan seperti meletakkan bola bowling di atas trampolin; trampolin akan melendut di sekitarnya. Kelengkungan inilah yang kita rasakan sebagai gravitasi.

Einstein berhipotesis bahwa jika benda-benda bermassa super besar ini bergerak dan mengalami perubahan kecepatan atau arah, mereka akan menciptakan gangguan atau "kerutan" pada kain ruang-waktu ini. Kerutan yang menjalar ini, mirip riak di permukaan air saat jari dicelupkan atau batu dilempar, inilah yang dinamakan gelombang gravitasi.

Gelombang gravitasi ini membawa energi dalam bentuk radiasi gravitasi. Menurut teori relativitas umum, semua pergerakan interaksi fisik dibatasi oleh kecepatan cahaya, sehingga gelombang gravitasi juga bergerak dengan kecepatan cahaya, tidak seperti teori gravitasi Newton yang menganggap interaksi fisik bergerak seketika.

Meskipun diprediksi oleh Einstein, gelombang gravitasi sangatlah sulit diamati. Bahkan Einstein sendiri sempat tidak yakin apakah gelombang ini bisa dideteksi.

Gelombang gravitasi memiliki sifat unik: ketika melewati suatu benda, ia akan membuat benda tersebut sedikit berubah bentuk, memuai dan memampat sesuai arah gelombangnya. Perubahan bentuk ini sangat kecil, bahkan untuk gelombang yang dihasilkan oleh peristiwa dahsyat. Sifat inilah yang dimanfaatkan para ilmuwan untuk mendeteksinya.

Alat utama yang digunakan adalah LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) di Amerika Serikat. Ada juga detektor lain di seluruh dunia, seperti Virgo di Italia, GEO600 di Jerman, dan TAMA300 di Jepang. Setidaknya ada empat sistem pendeteksi gelombang gravitasi saat ini.

Prinsip kerja LIGO dan detektor sejenisnya adalah menggunakan interferometri laser. Sinar laser ditembakkan dalam pipa vakum yang panjangnya bisa mencapai puluhan kilometer, membentuk seperti huruf "L". Sinar laser ini kemudian dibagi menjadi dua yang bergerak saling tegak lurus. Jika ada gelombang gravitasi lewat, ia akan sedikit mengubah panjang salah satu atau kedua lengan pipa, menyebabkan selisih waktu tiba sinar laser di detektor saat kedua sinar tersebut digabungkan kembali. Selisih waktu yang sangat kecil inilah yang dideteksi. Dibutuhkan detektor yang sangat sensitif untuk menangkap gangguan sekecil ini.

Upaya untuk mendeteksi gelombang gravitasi sudah dimulai sejak tahun 1960. Namun, era gelombang gravitasi baru benar-benar dimulai setelah detektor LIGO menjalani pemutakhiran menjadi Advanced LIGO.

Hanya beberapa hari setelah Advanced LIGO beroperasi, gelombang gravitasi pertama berhasil dideteksi pada 14 September 2015. Gelombang ini, yang diberi nama GW150914, membuktikan keberadaan gelombang gravitasi yang diprediksi Einstein. Deteksi ini berasal dari tabrakan antara dua lubang hitam raksasa yang terjadi 1,3 miliar tahun lalu. Peristiwa ini menyebabkan ruang-waktu terdistorsi dan menimbulkan gelombang yang menyebar ke seluruh alam semesta. Deteksi ini dikonfirmasi oleh tim Advanced LIGO pada Februari 2016.

Setelah GW150914, LIGO juga mendeteksi riak dari peristiwa penggabungan lubang hitam lainnya, seperti GW151226 dan GW170104.

Pada tahun 2016, detektor Virgo yang juga telah ditingkatkan bergabung dalam perburuan. Kolaborasi antara LIGO dan Virgo berhasil mendeteksi peristiwa penting lainnya.

Para ilmuwan terus mengembangkan metode deteksi. Pada Juni 2023, untuk pertama kalinya, para ilmuwan mengumumkan bahwa mereka berhasil "mendengar" suara gelombang gravitasi frekuensi rendah. Gelombang ini jauh lebih lambat, riaknya bisa memakan waktu bertahun-tahun atau bahkan puluhan tahun untuk berputar naik turun.

Gelombang frekuensi rendah ini diduga berasal dari objek terbesar di alam semesta: lubang hitam supermasif yang massanya miliaran kali massa matahari kita. Galaksi-galaksi di seluruh alam semesta terus bertabrakan dan bergabung. Ketika ini terjadi, lubang hitam supermasif di pusat galaksi-galaksi tersebut juga berkumpul dan berinteraksi dalam "tarian" sebelum akhirnya menyatu. Proses ini menghasilkan gelombang gravitasi.

Karena gelombang frekuensi rendah ini membutuhkan detektor yang sangat besar, tidak ada instrumen di Bumi yang dapat menangkapnya. Para ilmuwan harus membuat detektor yang kira-kira seukuran galaksi. Untuk mendeteksi gelombang frekuensi rendah ini, tim seperti NANOGrav menggunakan teleskop yang diarahkan ke bintang mati yang disebut pulsar.

Pulsar mengirimkan kilatan gelombang radio yang sangat teratur, bertindak seperti "jam yang sangat teratur yang berdetak jauh di luar angkasa". Saat gelombang gravitasi frekuensi rendah melewati, mereka membengkokkan ruang-waktu dan mengubah jarak antara Bumi dan pulsar, mengganggu keteraturan "detak" tersebut. Dengan menganalisis perubahan kecil dalam laju detak di berbagai pulsar, ilmuwan bisa mengetahui bahwa gelombang gravitasi sedang lewat. Tim NANOGrav memantau puluhan pulsar menggunakan teleskop di Amerika Utara, sementara tim lain di seluruh dunia juga menemukan bukti serupa dari lusinan pulsar lain.

Metode ini mengungkapkan adanya "dengungan konstan" di sekitar kitab. Kebisingan latar belakang ini lebih keras dari yang diperkirakan beberapa ilmuwan. Ini bisa berarti ada lebih banyak atau lebih besar penggabungan lubang hitam supermasif, atau mungkin menunjuk pada sumber gelombang gravitasi lain yang bisa menantang pemahaman kita tentang alam semesta. Para peneliti berharap studi lanjutan terhadap gelombang gravitasi ini akan membantu kita belajar lebih banyak tentang benda-benda terbesar di alam semesta, membuka jendela baru untuk "arkeologi kosmik".

Sumber utama gelombang gravitasi yang dapat terdeteksi diduga berasal dari sistem bintang biner yang terdiri dari objek-objek kompak seperti katai putih, bintang neutron, dan lubang hitam. Selain itu, gelombang gravitasi juga bisa dihasilkan oleh:

Penemuan dan deteksi gelombang gravitasi dianggap sebagai "tonggak sejarah" dan telah membuka era baru dalam astronomi dan astrofisika. Mengapa begitu penting?

Meskipun penemuan gelombang gravitasi mungkin belum langsung berdampak pada kehidupan sehari-hari, sejarah sains menunjukkan bahwa penemuan yang awalnya terlihat tidak penting dapat membuka pintu bagi penemuan besar lainnya di masa depan, seperti halnya penemuan Faraday tentang magnet dan kabel tembaga yang menjadi awal mula listrik. Kip Thorne, salah satu pendiri LIGO, bahkan memandang sumbangan budaya dari penemuan ini sebagai sesuatu yang patut dibanggakan.

Secara matematis, gelombang gravitasi dapat dianggap sebagai gangguan (perturbasi) kecil pada metrik ruang-waktu datar (Minkowski). Gangguan ini dilambangkan dengan $h_{\mu\nu}$ di mana $|h_{\mu\nu}| << 1$. Persamaan medan Einstein yang terlinearisasi menghubungkan gangguan ini dengan tensor momentum-energi ($T_{\mu\nu}$).

Pada ruang-waktu vakum (tanpa materi atau energi, $T_{\mu\nu} = 0$), persamaan ini tereduksi menjadi persamaan gelombang sederhana: $\Box \bar{h}_{\mu\nu} = 0$. Solusi persamaan ini menunjukkan bahwa gelombang gravitasi bergerak dengan kecepatan cahaya sama seperti gelombang elektromagnetik.

Gelombang gravitasi memiliki dua mode polarisasi, yaitu mode "plus" (+) dan mode "cross" (x). Polarisasi ini menggambarkan bagaimana gelombang tersebut meregangkan dan menekan ruang-waktu saat melewatinya. Jika sebuah lingkaran partikel uji dilewati gelombang gravitasi mode "+", lingkaran tersebut akan berubah menjadi elips yang memanjang secara vertikal lalu memampat secara horizontal, dan sebaliknya, sesuai dengan perambatan gelombang. Mode "x" melakukan hal yang sama tetapi pada orientasi 45 derajat.

Efek gelombang gravitasi adalah mengubah jarak proper antara dua buah partikel uji. Meskipun pada ruang-waktu datar cahaya mengikuti garis lurus, pada ruang-waktu yang dilengkungkan oleh gelombang gravitasi, lintasan cahaya akan mengalami deviasi. Untuk mendeteksi efek ini, diperlukan minimal dua partikel uji untuk melihat pergerakan relatifnya.

Meskipun deteksi gelombang gravitasi adalah pencapaian monumental, masih banyak misteri yang perlu diungkap. Detektor saat ini hanya bisa mendeteksi gelombang dari sumber-sumber bermassa hingga beberapa juta kali massa matahari. Gelombang dari peristiwa lain, seperti gelombang gravitasi primordial dari inflasi alam semesta awal atau dari lubang hitam supermasif yang belum bergabung, masih dalam perburuan atau memerlukan teknologi deteksi yang berbeda.

Penemuan gelombang gravitasi membuka pintu baru untuk memahami alam semesta, mulai dari mempelajari peristiwa paling ekstrem hingga mungkin mengungkap misteri gelap alam semesta seperti dark matter dan dark energy, meskipun Dark matter itu sendiri mungkin tidak secara langsung menghasilkan gelombang gravitasi kecuali konfigurasinya terganggu. Para ilmuwan berharap dengan terus mempelajari jenis gelombang gravitasi ini, mereka dapat melacak sejarah pembentukan lubang hitam dan penggabungan galaksi di sekitar kita.

Singkatnya, gelombang gravitasi adalah riak tak terlihat namun kuat di ruang-waktu, yang keberadaannya telah dikonfirmasi berkat kerja keras para ilmuwan dan teknologi canggih seperti LIGO. Mereka adalah kurir informasi baru yang membawa cerita dari peristiwa paling dahsyat di alam semesta, membuka jendela baru dan memperkaya pemahaman kita tentang kosmos yang luas dan penuh misteri. Penemuan ini bukan akhir, melainkan awal dari petualangan ilmiah baru yang menarik.