Astronomi

Berapa ambang deteksi gelombang gravitasi untuk LIGO?

Berapa ambang deteksi gelombang gravitasi untuk LIGO?

Karena sekarang dua bintang neutron telah terdeteksi bergabung melalui gelombang gravitasi, saya bertanya-tanya apa ambang deteksi saat ini yang dapat dicapai oleh detektor LIGO.

Menimbang bahwa objek yang diamati pertama adalah dua lubang hitam dengan massa gabungan lebih dari 60 massa matahari dan sekarang mereka mendeteksi dua bintang neutron dengan massa gabungan hanya sekitar 3 massa matahari, saya bertanya-tanya berapa ambang batas yang benar-benar dapat dideteksi oleh detektor ini. .

Jelas ada bintang yang jauh lebih besar di luar sana yang mengorbit satu sama lain, tetapi ukuran dan jaraknya satu sama lain membuat gelombang gravitasi terlalu sulit untuk dideteksi. Jadi berapa massa dan pada jarak berapa kita bisa berharap untuk terdeteksi di masa depan?


Saya khawatir ini tidak langsung

Amplitudo sinyal regangan gelombang gravitasi dari penggabungan biner kompak (bintang neutron atau lubang hitam) adalah $$h sim 10^{-22} left(frac{M}{2.8M_{odot}}kanan )^{5/3}left(frac{0.01{ m s}}{P}kanan)^{2/3}left(frac{100 { m Mpc}}{d}kanan ),$$ di mana $M$ adalah massa total sistem dalam massa matahari, $P$ adalah periode orbit sesaat dalam detik dan $d$ adalah jarak dalam 100 detik Mpc. $h sim 10^{-22}$ adalah angka yang masuk akal untuk sensitivitas LIGO terhadap regangan gelombang gravitasi yang paling sensitif (pada frekuensi 30-300 Hz).

Jadi Anda dapat melihat bahwa untuk meningkatkan observabilitas Anda dapat menambah massa, mengurangi periode, atau mengurangi jarak.

Tapi inilah komplikasinya. LIGO hanya sensitif antara sekitar 30-300 Hz dan frekuensi GW adalah dua kali frekuensi orbit. Dengan demikian, Anda tidak dapat mempersingkat periode menjadi sesuatu yang sangat kecil karena ia akan berada di luar rentang frekuensi LIGO dan Anda juga tidak dapat meningkatkan massa menjadi sesuatu yang terlalu besar daripada lubang hitam yang telah terlihat karena mereka bergabung sebelum mencapai orbital yang cukup tinggi. frekuensi untuk dilihat. (Frekuensi saat merger adalah $propto M^{-1}$).

Komplikasi lebih lanjut adalah bahwa evolusi sinyal lebih cepat pada massa yang lebih rendah. Yaitu - laju perubahan frekuensi dan amplitudo meningkat pesat dengan massa total. Itulah sebabnya penggabungan bintang neutron baru-baru ini dapat dideteksi selama 100-an oleh LIGO, sedangkan penggabungan lubang hitam yang lebih masif hanya dapat dilihat selama sekitar 1 detik. Tetapi ini berarti bahwa Anda memiliki lebih sedikit siklus sinyal lubang hitam yang dapat "ditambahkan" untuk meningkatkan sinyal menjadi derau, yang berarti bahwa sumber massa yang lebih tinggi kurang terdeteksi daripada aplikasi sederhana dari rumus yang saya berikan di atas akan menyarankan. Komplikasi lebih lanjut adalah bahwa ada faktor geometris tergantung pada bagaimana sumber dan detektor berorientasi satu sama lain.

Oke, ini komplikasi, tapi rumusnya masih bisa digunakan sebagai perkiraan. Jadi jika kita mengambil sinyal GW170817, massa totalnya sekitar $2,8M_{odot}$, sumbernya berada pada 40 Mpc, jadi pada frekuensi 200 Hz (sesuai dengan periode 0,01 detik) Anda mungkin mengharapkan sinyal regangan sekitar $3kali 10^{-22}$. Ini memberikan sinyal yang sangat mudah dideteksi. Makalah penemuan (Abbot et al. 2017) mengatakan "cakrawala" untuk deteksi adalah sekitar 218 Mpc untuk LIGO-Livingston dan 107 Mic untuk LIGO-Hanford. Karena sumbernya jauh lebih dekat daripada angka-angka ini, maka tidak mengherankan bahwa deteksinya kuat.

Dengan mengambil rumus di atas dan periode orbit tetap 0,01 s, kita dapat melihat bahwa jarak horizon akan berskala $sim M^{5/3}$. Jadi biner lubang hitam $10 M_{odot} + 10 M_{odot}$$ mungkin terlihat menjadi $218 imes (20/2.8)^{5/3} = 5.7$ Gpc (ini akan menjadi perkiraan yang terlalu tinggi oleh faktor beberapa karena isu kecepatan evolusi menuju merger yang saya bahas di atas).

Diskusi yang lebih mendalam dan teknis dapat dibaca di sini, meskipun ini sudah ketinggalan zaman dan jangkauan LIGO telah diperpanjang sekitar lima faktor sejak perhitungan ini dilakukan.


Gambar 1 dari makalah ini menunjukkan jarak cakrawala (jarak di mana sinyal overhead terpolarisasi sirkular akan terdeteksi pada SNR 8) untuk sistem massa yang lebih besar hingga massa total 1000 massa matahari, dengan asumsi pencarian dengan template koalesensi biner kompak. Untuk massa yang lebih tinggi, amplitudo sinyal umumnya lebih besar, tetapi mereka bergabung pada frekuensi yang lebih rendah sehingga sinyal umumnya berumur pendek di pita sensitif detektor. Karena mereka lebih pendek, sayangnya, mereka lebih terlihat seperti kelas gangguan instrumental, jadi jika mereka tidak terlalu kuat (tepat di atas ambang batas sekitar SNR 8) tingkat latar belakang bisa besar dan menyebabkan signifikansi yang lebih rendah dari calon apapun.


Berapa ambang deteksi gelombang gravitasi untuk LIGO? - Astronomi

Itu Observatorium Gelombang Gravitasi Laser Interferometer (LIGO) adalah eksperimen dan observatorium fisika skala besar yang dirancang untuk mendeteksi gelombang gravitasi kosmik dan untuk mengembangkan pengamatan gelombang gravitasi sebagai alat astronomi. [1] Dua observatorium besar dibangun di Amerika Serikat dengan tujuan mendeteksi gelombang gravitasi dengan interferometri laser. Observatorium ini menggunakan cermin berjarak empat kilometer yang mampu mendeteksi perubahan kurang dari sepersepuluh ribu diameter muatan proton. [2]

Observatorium LIGO awal didanai oleh National Science Foundation (NSF) dan disusun, dibangun dan dioperasikan oleh Caltech dan MIT. [3] [4] Mereka mengumpulkan data dari 2002 hingga 2010 tetapi tidak ada gelombang gravitasi yang terdeteksi.

Proyek LIGO Lanjutan untuk menyempurnakan detektor LIGO asli dimulai pada tahun 2008 dan terus didukung oleh NSF, dengan kontribusi penting dari Dewan Fasilitas Sains dan Teknologi Inggris, Masyarakat Max Planck Jerman, dan Dewan Riset Australia. [5] [6] Detektor yang ditingkatkan mulai beroperasi pada tahun 2015. Deteksi gelombang gravitasi dilaporkan pada tahun 2016 oleh LIGO Scientific Collaboration (LSC) dan Virgo Collaboration dengan partisipasi ilmuwan internasional dari beberapa universitas dan lembaga penelitian. Para ilmuwan yang terlibat dalam proyek dan analisis data untuk astronomi gelombang gravitasi ini diselenggarakan oleh LSC, yang mencakup lebih dari 1000 ilmuwan di seluruh dunia, [7] [8] [9] serta 440.000 pengguna aktif [email protected] pada tanggal Desember 2016 [pembaruan] . [10]

LIGO adalah proyek terbesar dan paling ambisius yang pernah didanai oleh NSF. [11] [12] Pada tahun 2017, Hadiah Nobel dalam Fisika diberikan kepada Rainer Weiss, Kip Thorne dan Barry C. Barish "untuk kontribusi yang menentukan pada detektor LIGO dan pengamatan gelombang gravitasi". [13]

Pengamatan dilakukan secara "berjalan". Per Desember 2019 [update] , LIGO telah melakukan 3 run, dan membuat 50 deteksi gelombang gravitasi. Pemeliharaan dan peningkatan detektor dilakukan di antara proses. Putaran pertama, O1, yang berlangsung dari 12 September 2015 hingga 19 Januari 2016, membuat 3 deteksi pertama, semua penggabungan lubang hitam. Lari kedua, O2, yang berlangsung dari 30 November 2016 hingga 25 Agustus 2017, membuat 8 pendeteksian, 7 penggabungan lubang hitam, dan penggabungan bintang neutron pertama. [14] Putaran ketiga, O3, dimulai pada 1 April 2019 dibagi (sejauh ini) menjadi O3a, dari 1 April hingga 30 September 2019, dan O3b, dari 1 November 2019 [15] hingga dihentikan pada Maret 2020 karena ke COVID-19. [16]


Apa yang keren dari gelombang gravitasi?

Hal penting pertama tentang deteksi langsung gelombang gravitasi LIGO adalah bahwa hal itu terjadi sama sekali.

Tapi pertama-tama, mari kita mundur sedikit dan berbicara tentang Albert Einstein. Dia adalah orang yang cerdas &mdash dia menemukan banyak hal yang sangat halus tentang alam semesta, termasuk bahwa ruang bukanlah latar belakang yang kaku dan kaku, seperti panggung tempat peristiwa kosmik dimainkan. Sebaliknya, Einstein menunjukkan bahwa ruang bersifat fleksibel dan dipengaruhi oleh objek dan peristiwa di dalamnya. Benda yang sangat besar membuat lengkungan di ruang angkasa, seperti cara bola bowling melengkungkan kasur saat diletakkan di atasnya.

(Einstein juga menunjukkan bahwa ruang dan waktu terkait erat &mdash keduanya adalah benang dalam kain universal yang dia sebut ruang-waktu. Kami akan mengabaikan hubungan ini demi singkatnya.)

Jadi apa hubungannya ini dengan gelombang gravitasi? Jika sebuah objek masif dapat melengkungkan ruang-waktu, maka memindahkan objek masif dapat menciptakan riak-riak dalam ruang-waktu. Bayangkan sebuah kano bergerak melintasi danau, mengirimkan riak ke permukaan air atau palu memukul drum, menciptakan getaran di permukaan.

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, lebih dikenal sebagai LIGO, adalah eksperimen pertama yang secara langsung mendeteksi riak-riak ini dalam ruang-waktu, jadi ini adalah bukti fisik langsung pertama bahwa mereka benar-benar ada. Deteksi pertamanya datang pada September 2015, 100 tahun setelah Einstein pertama kali memprediksi keberadaan mereka. Sudah 40 tahun sejak orang mulai mengerjakan mantra awal teknologi yang digunakan LIGO untuk mendeteksi gelombang gravitasi.

Jadi riak-riak dalam ruang-waktu ini mengkonfirmasi teori Einstein (walaupun sudah terbukti cukup kedap udara). Gelombang gravitasi adalah ilustrasi ekstrem dari relativitas umum di masa lalu, contoh ekstrem itu hanya ada di atas kertas, di dunia teoretis. Data selalu dapat membantu para ilmuwan mempelajari lebih banyak tentang alam semesta, dan jika teori Einstein perlu disesuaikan (untuk membuatnya kompatibel dengan mekanika kuantum, misalnya), LIGO mungkin dapat menemukan di mana. (Direktur eksekutif LIGO mengatakan dia ragu bahwa LIGO akan menemukan celah semacam ini atau kehilangan tujuan dalam teori Einstein, tetapi itu adalah kemungkinan.)


Masa Depan Cerah Untuk Astronomi Gelombang Gravitasi

Meski tampak surealis, pendeteksian gelombang gravitasi kini sudah menjadi hal yang biasa, hanya lima tahun setelah pendeteksian pertama pada September 2015. Dengan 50 pendeteksian gelombang gravitasi, kini kita lebih mampu mengeksplorasi populasi lubang hitam dan bintang neutron di seluruh penjuru Bumi. semesta (lihat ringkasan ini). Deteksi gelombang gravitasi tambahan juga meningkatkan pemahaman kita tentang Teori Relativitas Umum (lihat ringkasan ini).

Masa depan astronomi gelombang gravitasi semakin menjanjikan setelah penambahan 39 peristiwa dari enam bulan pertama periode pengamatan O3. Analisis bagian kedua O3 (disebut O3b) saat ini sedang berlangsung dan selanjutnya akan memperluas katalog transien gelombang gravitasi kami yang terus berkembang. Setelah O3, detektor akan menjalani peningkatan rekayasa tambahan untuk lebih meningkatkan jangkauan astrofisika pada waktunya untuk pengamatan keempat. Sementara kami menunggu perbaikan instrumental dan pembangunan detektor baru, komunitas gelombang gravitasi akan terus mengeksplorasi sifat lubang hitam dan bintang neutron di seluruh alam semesta.


Pengamatan

Jejak sinyal deteksi gelombang gravitasi pertama yang dikonfirmasi. T-shirt dibuat untuk merayakan penemuan itu, dan penulis ini cukup beruntung memilikinya.

Deteksi gelombang gravitasi langsung pertama dilakukan pada 14 September 2015, terdeteksi oleh kedua observatorium LIGO pada saat itu. Sejak itu, banyak pengamatan yang lebih berhasil telah dilakukan, dengan pengamatan terbaru menjalankan 55 deteksi sebelum dibatasi oleh COVID-19. Dengan adanya gelombang gravitasi yang dikonfirmasi oleh pengamatan langsung, pekerjaan sedang berlangsung untuk lebih memahami fenomena tersebut. Setiap deteksi berasal dari peristiwa bintang yang berbeda, dan menyoroti lebih banyak proses fisik yang mendasarinya. Deteksi terbesar adalah dari 21 Mei 2019, kemungkinan karena penggabungan dua lubang hitam. Data dibandingkan antara dua observatorium LIGO, serta fasilitas serupa di Italia bernama VIRGO, untuk membantu menentukan sumber gelombang yang diamati.

Mampu mendeteksi gelombang gravitasi memungkinkan penyelidikan fenomena yang sulit diakses dengan astronomi optik atau elektromagnetik tradisional.

Sebelum LIGO, kami tidak benar-benar tahu berapa banyak lubang hitam biner yang ada di alam semesta. Anda tidak dapat benar-benar melihatnya. Apa yang sensitif bagi LIGO adalah momen terakhir di mana mereka bergabung ... Kami sedang melakukan beberapa hal keren dengan distribusi lubang hitam biner 'mereka dapat didistribusikan secara isotropis melalui alam semesta, atau mungkin ada lebih banyak lubang hitam di sistem tertentu.

Seiring semakin banyak pengukuran yang dilakukan, dan teori fisika berkembang, data yang dikumpulkan dari proyek ini dapat memberikan wawasan lebih lanjut tentang struktur alam semesta itu sendiri.

Eksperimen LIGO adalah contoh yang bagus tentang tingkat kecanggihan yang diperlukan untuk menyelidiki fenomena di ujung tombak fisika. Seringkali, ada jeda besar antara teori yang diajukan dan konfirmasi eksperimental yang berhasil dalam kasus ini, satu abad penuh berlalu sebelum gelombang gravitasi dapat dideteksi secara langsung. Ini adalah kerja keras untuk mengungkap rahasia alam semesta, tetapi seperti biasa, para ilmuwan siap menghadapi tantangan.


Astronomi

Seiring dengan gelombang gravitasi, ledakan kuat sinar gamma diperkirakan akan dipancarkan ketika dua bintang neutron biner bergabung. Deteksi ledakan sinar gamma seperti itu bertepatan dengan deteksi gelombang gravitasi dari inspirasi akan mengkonfirmasi hipotesis ini.

Biner kompak yang menginspirasi yang terdiri dari lubang hitam dan/atau bintang neutron adalah salah satu sumber radiasi gravitasi yang paling menjanjikan untuk detektor gelombang gravitasi generasi pertama, seperti LIGO. Pada skala waktu 10 7 tahun, sistem biner kompak kehilangan energi dengan memancarkan gelombang gravitasi yang menyebabkan komponennya berputar bersama. Saat orbit menyusut, orbitnya berputar dan periodenya berkurang. Dengan LIGO, kami mencari gelombang gravitasi yang akan dipancarkan selama sepuluh detik terakhir dari inspirasi ini. Bintang-bintang mengorbit ratusan kali per detik pada jarak puluhan km sebelum jatuh bersama. Detektor generasi pertama dapat mengamati sistem bintang neutron biner dengan rasio signal-to-noise yang masuk akal hingga sekitar 20 Mpc, dengan perkiraan tingkat yang bisa setinggi satu setiap 1,5 tahun, meskipun tingkat sebenarnya tidak diketahui dan bisa lebih rendah. .

Koalesensi biner lubang hitam bintang neutron (NS-BH) diyakini sebagai nenek moyang paling menjanjikan dari ledakan sinar gamma keras-pendek. Deteksi langsung gelombang gravitasi yang terkait dengan GRB akan memberikan bukti kuat untuk hipotesis ini, memecahkan misteri lama asal-usul GRB pendek-keras. Namun, gelombang gravitasi dari sistem semacam itu cenderung kompleks. Kopling momentum sudut orbital biner NS-BH ke putaran lubang hitam menyebabkan biner berpresisi. Modulasi yang dihasilkan dari bentuk gelombang menghadirkan tantangan yang signifikan untuk deteksi, meningkatkan dimensi ruang parameter bentuk gelombang dengan urutan besarnya.

LSC/Virgo Compact Binary Coalescence Group bertanggung jawab untuk mencari gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh sumber inspirasi menggunakan teknik filter yang cocok. Anggota kelompok Syracuse berkolaborasi dengan anggota lain dari Compact Binary Coalescence Group untuk mengembangkan, menerapkan dan menggunakan algoritma menyaring kebisingan detektor gelombang gravitasi untuk sinyal inspirasional, dan untuk mempelajari relativitas dan astrofisika yang dapat diperoleh dari deteksi. Kami sangat tertarik untuk mengembangkan teknik pencarian untuk binari pemintalan yang dijelaskan di atas, serta berkontribusi pada pencarian bintang neutron biner dan lubang hitam biner.


Ilmuwan Mengklaim Deteksi Sensasional Gelombang Gravitasi dan Era Baru di Astronomi

Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory di Hanford, Washington. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab

Pada tanggal 6 Mei 1981, fisikawan Kip Thorne dan Jeremiah Ostriker membuat taruhan * . Jika gelombang gravitasi luar bumi terdeteksi sebelum 1 Januari 2000, oleh setidaknya dua kelompok eksperimen, Thorne akan memenangkan taruhan dan satu kotak anggur merah. Jika tidak, maka Ostriker akan memilikinya. Seperti yang terjadi, Thorne akan mencium bau kemenangan jika saja mereka memutuskan untuk menunggu 16 tahun lagi.

Pada konferensi pers di Washington, DC pada 11 Februari, kolaborasi global para ilmuwan dan insinyur secara resmi menyatakan bahwa mereka telah mendeteksi gelombang gravitasi, riak energi yang terbang melalui struktur ruang-waktu.

“Deteksi langsung pertama gelombang gravitasi oleh kolaborasi sains LIGO adalah penemuan yang menakjubkan karena membuka jendela baru di alam semesta,” kata Abhay Ashtekar, direktur Institut Fisika Gravitasi dan Geometri di Pennsylvania State University. "Ini akan mengungkapkan rahasia dari wilayah terjauh alam semesta yang tidak dapat kita akses oleh astronomi konvensional."

Terlepas dari pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana bintang neutron dan lubang hitam berevolusi dan bergabung, temuan ini akan memungkinkan para astronom untuk membandingkannya dengan prediksi yang dibuat oleh teori relativitas umum Albert Einstein. Singkatnya, studi semacam itu akan membantu menentukan apakah teori itu menyajikan gambaran gravitasi yang sempurna. Ini pertama kali diterbitkan 100 tahun yang lalu.

Pada bulan menjelang deklarasi, desas-desus tentang detail deteksi telah menyebar dan sering dipuji sebagai "besar" Martin Rees, Astronomer Royal Inggris, menulis itu akan menjadi 'sorotan ilmiah dekade ini& #8221. Jika mereka diverifikasi oleh eksperimen lain di masa depan – meskipun kolaborasi tersebut mengklaim hasil yang sangat andal – 11 Februari 2016, bisa menjadi hari pertama era astronomi gelombang gravitasi.

Dan waktu pengamatan, yang disebut GW150914, dilakukan pada 14 September 2015, 15.21 IST, oleh Observatorium Gelombang Gravitasi Laser Interferometer Lanjutan kembar (aLIGO) di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana. Observatorium ini didanai oleh National Science Foundation AS. Prinsip kerja mereka didasarkan pada ide-ide yang dirumuskan oleh Thorne, Rainer Weiss dan Ronald Drever pada 1980-an.

Gravitasi benda-benda masif di alam semesta merusak ruang-waktu di sekitarnya. Pergerakan benda lain di sekitarnya dipengaruhi oleh deformasi ini dan mereka merasakannya sebagai gaya gravitasi. Karya Einstein serta sekelompok matematikawan dan fisikawan lain di awal abad ke-20 membantu menjelaskan gambaran ini sebagai cara kerja gravitasi.

Namun, teori relativitas umum Einstein-lah yang meramalkan bahwa ketika benda-benda masif berakselerasi, mereka memicu gangguan dalam ruang-waktu yang menyebar ke luar, dan ke seluruh alam semesta. Gangguan-gangguan tersebut merupakan manifestasi dari benda yang kehilangan energi gravitasi, dan energi yang terbawa dalam bentuk gelombang gravitasi. Saat gelombang bergerak melalui kontinum, mereka untuk sementara mendistorsi jarak di daerah yang mereka lewati.

Proyek LIGO didirikan pada tahun 1992 untuk mendeteksi distorsi yang lewat ini, dan ditingkatkan menjadi avatar 'Lanjutan' yang lebih sensitif, aLIGO, pada tahun 2014. Setiap observatoriumnya memiliki desain yang sama: dua terowongan panjang yang terhubung pada sebuah titik, berbentuk seperti 'L'. Sebuah sumber di puncak menembakkan pulsa laser ke setiap terowongan dan menunggu mereka dipantulkan kembali oleh cermin di ujungnya. Ketika pulsa berkumpul kembali, mereka membentuk pola interferensi yang dicatat oleh detektor. Dengan tidak adanya gelombang gravitasi, interferensi sepenuhnya merusak dan detektor menggambar kosong.

Ketika gelombang gravitasi melewati aLIGO, itu sementara (dan bergantian) berkontraksi dan memperluas panjang lengan dengan jumlah yang kecil. Akibatnya, salah satu pulsa laser akhirnya menempuh jarak yang lebih jauh dari yang lain. Ketika mereka berkumpul kembali, satu pulsa sedikit keluar dari langkah relatif terhadap yang lain dan interferensi mereka tidak merusak. Detektor memasukkan pola interferensi. Menurut pengumuman 11 Februari, itulah yang terjadi pada 14 September 2015.

Sebuah simulasi GW150914 oleh kelompok Relativitas Numerik di Institut Teknologi Georgia.

Menurut data yang dirilis, gelombang tersebut kemungkinan berasal dari sepasang lubang hitam yang berjarak 1,2-1,3 miliar tahun cahaya. Mereka mengorbit satu sama lain, mencapai kecepatan sekitar 180 juta meter per detik, dan akhirnya bergabung untuk membentuk lubang hitam yang lebih besar. Sementara mereka awalnya memiliki berat 29 dan 36 massa matahari, monster yang dihasilkan memiliki berat 62 massa matahari. 3 massa matahari yang tersisa (setara dengan 178,7 miliar triliun triliun triliun joule energi) dilepaskan sebagai gelombang gravitasi selama penggabungan dan penurunan berikutnya, ketika resultan mengendap untuk membentuk bentuk yang stabil. Seluruh peristiwa berlangsung beberapa detik, yang berarti – seperti yang Thorne duga selama konferensi pers – output daya adalah 50 kali lebih banyak dari output semua bintang di alam semesta disatukan.

“Hal yang paling keren bagi saya adalah sinyal itu dipancarkan sekitar 1,3 miliar tahun yang lalu. Saat itu, tidak ada bentuk kehidupan utama di Bumi. Sinyal tersebut berjalan selama 1,3 miliar tahun dan melewati Bumi dalam waktu kurang dari setengah detik,” kata Karan Jani, kandidat PhD di Institut Teknologi Georgia dan seorang analis dari kolaborasi LIGO.

Clifford Burgess, fisikawan teoretis di Universitas McMaster di Hamilton, Kanada, telah membocorkan email kepada murid-muridnya – akhirnya beredar di Internet – sebelum pengumuman bahwa sinyal yang terdaftar di aLIGO dibuat dengan signifikansi statistik lebih dari 5 sigma. Ini berarti kemungkinan bahwa deteksi itu adalah sinyal palsu paling banyak 1 banding 3,5 juta, cukup di antara fisikawan untuk mengklaim sebuah penemuan.

Sebagai ringkasan hasil yang menyertai pengumuman tersebut, “Kami memperkirakan peristiwa sekuat GW150914 muncul secara kebetulan hanya sekali dalam sekitar 200.000 tahun dari data tersebut.”

Deteksi memakan waktu lama karena, dari empat gaya fundamental di alam, gravitasi adalah yang terlemah sejauh ini. Akibatnya, efek gelombang gravitasi juga sangat kecil dan membutuhkan instrumen super sensitif untuk menangkapnya. Pada saat yang sama, setiap detektor gelombang gravitasi harus setidaknya sebesar sumber gelombang yang dideteksinya.

Karena dua lubang hitam yang mengorbit satu sama lain dapat dipisahkan hanya beberapa kilometer sebelum pecah, lengan aLIGO memiliki panjang 4 km, dan dipertahankan dengan vakum sempurna. Laser dan detektor dikonfigurasikan untuk menangkap perubahan panjang ruang dengan orde 10 -20 meter – sekitar 10.000 kali lebih kecil dari inti atom hidrogen. Sensitivitas seperti itu berarti detektor menangkap banyak kebisingan juga – dari kendaraan yang bergerak di permukaan di sekitarnya, gangguan seismik kecil di bawah tanah, gangguan yang ditinggalkan oleh peristiwa kosmik kuno, dan aktivitas lain yang untuk hampir semua tujuan lain. 8217t mengganggu.

Jadi bahkan ketika tulen Jika deteksi dibuat, para ilmuwan harus menerapkan teknik penyaringan data tingkat lanjut untuk menemukannya di lautan kebisingan yang dicatat oleh detektor. Satya Mohapatra, staf teknisi di LIGO Lab di Massachusetts Institute of Technology, Boston, menjelaskan bahwa kelompok yang berbeda dalam kolaborasi mempelajari "ribuan saluran dalam instrumen LIGO untuk mengkarakterisasi sumber kebisingan yang berbeda yang dapat memengaruhi sinyal gelombang gravitasi potensial". Kelompok tambahan juga mempelajari bagaimana gelombang gravitasi yang berasal dari sumber selain dari penggabungan lubang hitam akan terlihat sehingga mereka dapat disaring dengan lebih baik.

Sumber: LIGO/Georgia Institute of Technology

Mohapatra melanjutkan, "Bentuk pasti dari gelombang gravitasi yang berasal dari tumbukan dua lubang hitam tetap sulit dipahami sampai tahun 2005 karena relativitas umum adalah teori yang sangat non-linear." Pada tahun itu, "simulasi lengkap pertama dari penggabungan dua lubang hitam ditunjukkan oleh Frans Pretorius." Pretorius sekarang menjadi profesor fisika di Universitas Princeton, New Jersey.

Tapi itu bukan akhir dari jalan itu. “Lubang hitam dan bintang neutron juga memiliki putaran. Jadi bentuk gelombang untuk kombinasi massa dan putaran yang berbeda belum semuanya disimulasikan,” kata Mohapatra. Jadi pengumuman 11 Februari secara efektif merupakan hasil kemajuan besar dalam astrofisika numerik.

Keberadaan gelombang gravitasi dipastikan sejak tahun 1970-an, ketika dua astronom dari University of Massachusetts-Amherst menemukan sepasang bintang neutron yang mengorbit satu sama lain yang orbitnya menyusut pada tingkat yang diprediksi oleh persamaan Einstein untuk relativitas umum. Para astronom kemudian memenangkan Hadiah Nobel Fisika 1993 karena membuat hubungan bahwa bintang-bintang neutron kehilangan energi gravitasi - mungkin dengan memancarkan gelombang gravitasi.

Jadi sebagian besar kegembiraan sekarang bukan karena gelombang akhirnya terdeteksi secara langsung, tetapi karena kami sekarang memiliki instrumen yang dapat menyelidiki lebih dalam ke sumber misterius gelombang itu sendiri.

Misalnya, meskipun Einstein merasa puas dengan bagaimana teori relativitas umumnya tampak mampu menjelaskan perilaku gravitasi di alam semesta, dia tidak nyaman dengan salah satu konsekuensi langsungnya: lubang hitam. Kemampuan makhluk-makhluk alam yang aneh ini untuk mendistorsi ruang-waktu hingga membelokkan radiasi elektromagnetik ke dalam diri mereka sendiri telah membuatnya sangat sulit untuk mempelajarinya menggunakan teleskop yang 'melihat' menggunakan radiasi elektromagnetik.

Kemungkinan daerah di langit selatan tempat gelombang gravitasi GW150914 bisa berasal. Warna mewakili interval kepercayaan, dengan ungu mewakili peluang 90% bahwa penggabungan terjadi dalam volume ruang di dalamnya dan kuning, 50%. Sumber: LIGO/Georgia Institute of Technology

Observatorium gelombang gravitasi, di sisi lain, 'mendengar' menggunakan sifat gravitasi, yang 'berpasangan dengan segala sesuatu dan tidak dapat ditutupi', menurut Ghanashyam Date, seorang profesor di Institut Ilmu Matematika, Chennai. Dan mengonfigurasi detektor seperti aLIGO untuk mendeteksi dan menyelidiki gelombang dengan lebih baik membuka cara baru untuk menyelidiki kosmos. Seperti yang dikatakan David Reitze, direktur eksekutif Laboratorium LIGO, Institut Teknologi California, pada konferensi pers, “Ini adalah pertama kalinya alam semesta berbicara kepada kita – melalui gelombang gravitasi.”

Untuk satu, relativitas umum memprediksi bahwa gelombang gravitasi harus berangkat dengan kecepatan cahaya, yang berarti partikel yang dihipotesiskan membawa energi gravitasi – graviton – seharusnya tidak memiliki massa. Gelombang di GW150914 tiba di detektor Louisiana dan Washington dengan jarak sekitar tujuh ribu detik, konsisten dengan waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak yang sama.

Namun, jika gelombang terdeteksi melewati lebih lambat di masa depan, maka fisikawan teoretis harus kembali ke papan gambar pepatah untuk ide-ide baru gravitasi partikulat.

Dalam kasus lain, mengingat betapa sensitifnya gelombang gravitasi generasi LIGO saat ini, para astronom juga dapat mengukur berapa banyak lubang hitam yang memiliki massa berbeda dan seberapa sering mereka terlibat dalam peristiwa intens seperti penggabungan. “Lubang hitam dalam astrofisika dianggap termasuk dalam dua kelas ekstrem – lubang hitam bintang dengan berat kurang dari 20 massa matahari dan yang berada di pusat galaksi dengan berat jutaan hingga miliaran massa matahari,” kata Jani. Ada bukti tidak langsung untuk lubang hitam ini juga dari teleskop konvensional – yang membuat deteksi saat ini lebih tidak mungkin.

“Kami hanya tidak memiliki batasan astrofisika yang kuat tentang apakah lubang hitam dengan massa seperti itu bisa ada di alam semesta,” jelas Jani. Mereka menimbang antara 50-10.000 massa matahari dan belum banyak dipelajari dengan teleskop. Tapi di LIGO, mereka menghasilkan sinyal 'paling keras'. “Dengan [penemuan] lubang hitam yang hanya lebih ringan dari massa menengah, kami sekarang memiliki kisaran massa yang mungkin untuk lubang hitam di alam semesta,” kata Jani.

Saat ini, ada lima observatorium gelombang gravitasi: dua di AS dan masing-masing satu di Italia (Virgo), Jerman (GEO600) dan Jepang (KAGRA). Observatorium Jepang memiliki teknik deteksi yang berbeda. Sementara itu, observatorium Amerika dan Jerman membentuk jaringan observatorium yang membutakan sekitar beberapa ratus derajat langit. Artinya, jaringan tidak akan dapat menunjukkan dengan tepat sumber gelombang gravitasi dari petak langit ini.

Lokasi detektor gelombang gravitasi yang ada, dan seberapa jauh LIGO di India nantinya. Sumber: LIGO

Seperti yang dijelaskan Jani dalam konteks GW150914, yang dicatat oleh dua observatorium Amerika: gelombang gravitasi “ yang kami amati berasal dari jarak 1,2 miliar tahun cahaya. Berdasarkan massa dua lubang hitam, masing-masing hampir 30 kali massa Matahari, mereka pasti terbentuk melalui evolusi bintang yang sangat berat. Ini menyiratkan bahwa lubang hitam pasti berada di beberapa galaksi induk, tetapi sulit untuk menemukannya.”

Banyak peningkatan telah diusulkan agar jaringan aLIGO menjadi lebih baik dalam hal ini. Salah satunya adalah Evolved Laser Interferometer Space Antenna (ELISA), yang terdiri dari tiga pesawat ruang angkasa yang mengorbit Matahari dalam segitiga sama sisi. Karena jarak di antara mereka, ELISA akan dapat mencari gelombang gravitasi dari sumber yang sangat besar. Menjelang peluncurannya pada tahun 2034, misi uji coba yang disebut LISA Pathfinder diluncurkan pada 3 Desember 2015.

Yang lainnya adalah ALIGO di India. Menurut Tarun Souradeep, dari Pusat Antar Universitas untuk Astronomi dan Astrofisika, Pune, lokasinya akan mengurangi titik buta jaringan aLIGO dengan urutan besarnya. Proyek, bernilai sekitar Rs.1,500 crore, didanai oleh Departemen Energi Atom dan menerima izin dari Komisi Perencanaan sebelumnya dalam Rencana Lima Tahun ke-12. Saat ini, sedang menunggu izin dari Kabinet Serikat.

Sementara itu, menunggu tes di masa depan yang mengkonfirmasi deteksi, pengumuman aLIGO tidak diragukan lagi adalah momen Nobel. Yang patut dipertanyakan adalah siapa yang akhirnya akan diabaikan oleh Hadiah Nobel. Kolaborasi Ilmiah LIGO melibatkan lebih dari 1.000 ilmuwan dari 19 negara, dengan lebih dari 250 lembaga penelitian yang terlibat dalam pengembangan teknologi dan analisis hasil. Observatorium dioperasikan oleh Massachusetts Institute of Technology, Boston, dan California Institute of Technology.


Para ilmuwan membuat deteksi langsung pertama dari gelombang gravitasi

Gambar untuk diunduh di situs web kantor Berita MIT tersedia untuk entitas non-komersial, pers, dan masyarakat umum di bawah lisensi Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Anda tidak boleh mengubah gambar yang disediakan, selain memotongnya sesuai ukuran. Batas kredit harus digunakan saat mereproduksi gambar jika tidak ada di bawah, kreditkan gambar ke "MIT."

Previous image Next image

Almost 100 years ago today, Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves — ripples in the fabric of space-time that are set off by extremely violent, cosmic cataclysms in the early universe. With his knowledge of the universe and the technology available in 1916, Einstein assumed that such ripples would be “vanishingly small” and nearly impossible to detect. The astronomical discoveries and technological advances over the past century have changed those prospects.

Now for the first time, scientists in the LIGO Scientific Collaboration — with a prominent role played by researchers at MIT and Caltech — have directly observed the ripples of gravitational waves in an instrument on Earth. In so doing, they have again dramatically confirmed Einstein’s theory of general relativity and opened up a new way in which to view the universe.

But there’s more: The scientists have also decoded the gravitational wave signal and determined its source. According to their calculations, the gravitational wave is the product of a collision between two massive black holes, 1.3 billion light years away — a remarkably extreme event that has not been observed until now.

The researchers detected the signal with the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) — twin detectors carefully constructed to detect incredibly tiny vibrations from passing gravitational waves. Once the researchers obtained a gravitational signal, they converted it into audio waves and listened to the sound of two black holes spiraling together, then merging into a larger single black hole.

“We’re actually hearing them go thump in the night,” says Matthew Evans, an assistant professor of physics at MIT. “We’re getting a signal which arrives at Earth, and we can put it on a speaker, and we can hear these black holes go, ‘Whoop.’ There’s a very visceral connection to this observation. You’re really listening to these things which before were somehow fantastic.”

By further analyzing the gravitational signal, the team was able to trace the final milliseconds before the black holes collided. They determined that the black holes, 30 times as massive as our sun, circled each other at close to the speed of light before fusing in a collision and giving off an enormous amount of energy equivalent to about three solar masses — according to Einstein’s equation E=mc 2 — in the form of gravitational waves.

“Most of that energy is released in just a few tenths of a second,” says Peter Fritschel, LIGO’s chief detector scientist and a senior research scientist at MIT’s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “For a very short amount of time, the actual power in gravitational waves was higher than all the light in the visible universe.”

These waves then rippled through the universe, effectively warping the fabric of space-time, before passing through Earth more than a billion years later as faint traces of their former, violent origins.

“It’s a spectacular signal,” says Rainer Weiss, a professor emeritus of physics at MIT. “It’s a signal many of us have wanted to observe since the time LIGO was proposed. It shows the dynamics of objects in the strongest gravitational fields imaginable, a domain where Newton’s gravity doesn’t work at all, and one needs the fully non-linear Einstein field equations to explain the phenomena. The triumph is that the waveform we measure is very well-represented by solutions of these equations. Einstein is right in a regime where his theory has never been tested before.”

The new results are published today in the journal Physical Review Letters.

“Magnificently in alignment”

The first evidence for gravitational waves came in 1974, when physicists Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of neutron stars, 21,000 light years from Earth, that seemed to behave in a curious pattern. They deduced that the stars were orbiting each other in such a way that they must be losing energy in the form of gravitational waves — a detection that earned the researchers the Nobel Prize in physics in 1993.

Now LIGO has made the first direct observation of gravitational waves with an instrument on Earth. The researchers detected the gravitational waves on September 14, 2015, at 5:51 a.m. EDT, using the twin LIGO interferometers, located in Livingston, Louisiana and Hanford, Washington.

Each L-shaped interferometer spans 4 kilometers in length and uses laser light split into two beams that travel back and forth through each arm, bouncing between precisely configured mirrors. Each beam monitors the distance between these mirrors, which, according to Einstein’s theory, will change infinitesimally when a gravitational wave passes by the instrument.

“You can almost visualize it as if you dropped a rock on the surface of a pond, and the ripple goes out,” says Nergis Malvalvala, the Curtis and Kathleen Marble Professor of Astrophysics at MIT. “[It’s] something that distorts the space time around it, and that distortion propagates outward and reaches us on Earth, hundreds of millions of years later.”

Last March, researchers completed major upgrades to the interferometers, known as Advanced LIGO, increasing the instruments’ sensitivity and enabling them to detect a change in the length of each arm, smaller than one-ten-thousandth the diameter of a proton. By September, they were ready to start observing with them.

“The effect we’re measuring on Earth is equivalent to measuring the distance to the closest star, Alpha Centauri, to within a few microns,” Evans says. “It’s a very tough measurement to make. Einstein expected this to never have been pulled off.”

Nevertheless, a signal came through. Using Einstein’s equations, the team analyzed the signal and determined that it originated from a collision between two massive black holes.

“We thought it was going to be a huge challenge to prove to ourselves and others that the first few signals that we saw were not just flukes and random noise,” says David Shoemaker, director of the MIT LIGO Laboratory. “But nature was just unbelievably kind in delivering to us a signal that’s very large, extremely easy to understand, and absolutely, magnificently in alignment with Einstein’s theory.”

For LIGO’s hundreds of scientists, this new detection of gravitational waves marks not only a culmination of a decades-long search, but also the beginning of a new way to look at the universe.

“This really opens up a whole new area for astrophysics,” Evans says. “We always look to the sky with telescopes and look for electromagnetic radiation like light, radio waves, or X-rays. Now gravitational waves are a completely new way in which we can get to know the universe around us.”

Tiny detection, massive payoff

LIGO research is carried out by the LIGO Scientific Collaboration (LSC), a group of some 950 scientists at universities around the United States, including MIT, and in 15 other countries. The LIGO Observatories are operated by MIT and Caltech. The instruments were first explored as a means to detect gravitational waves in the 1970s by Weiss, who along with Kip Thorne and Ronald Drever from Caltech proposed LIGO in the 1980s.

“This has been 20 years of work, and for some of us, even more,” Evans says. “It’s been a long time working on these detectors, without seeing anything. So it’s a real sea change and an interesting psychological change for the whole collaboration.”

“The project represents a triumph for federally funded research,” says Maria Zuber, vice president for research and E. A. Griswold Professor of Geophysics at MIT. “LIGO is an example of a high-risk, high-return investment in discovery-driven science. In this case the investment was major and sustained over many years, with a successful outcome far from assured. But the scientific payoff is shaping up to be extraordinary. While the discoveries reported here are already magnificent, they represent the tip of the iceberg of what will be learned about fundamental physics and the nature of the universe.”

The LIGO Observatories are due for more upgrades in the near future. Currently, the instruments are performing at one-third of their projected sensitivity. Once they are fully optimized, Shoemaker predicts that scientists will be able to detect gravitational waves emanating “from the edge of the universe.”

“In a few years, when this is fully commissioned, we should be seeing events from a whole variety of objects: black holes, neutron stars, supernova, as well as things we haven’t imagined yet, on the frequency of once a day or once a week, depending on how many surprises are out there.” Shoemaker says. “That’s our dream, and so far we don’t have any reason to know that that’s not true.”

As for this new gravitational signal, Weiss, who first came up with the rudimentary design for LIGO in the 1970s as part of an experimental exercise for one of his MIT courses, sees the tiny detection as a massive payoff.

“This is the first real evidence that we’ve seen now of high-gravitational field strengths: monstrous things like stars, moving at the velocity of light, smashing into each other and making the geometry of space-time turn into some sort of washing machine,” Weiss says. “And this horrendously strong thing made a very tiny effect in our apparatus, a relative motion of 10 to the minus 18 meters between the mirrors in the interferometer arms. It’s sort of unbelievable to think about.”


Tonton videonya: Tutorial Buat Resume Dalam Hanya 5 Minit? Create Resume with Microsoft Word (Januari 2022).