Terdeteksinya Gelombang Gravitasi dari Penggabungan Dua Lubang Hitam

Pada Kamis, 11 Februari 2016 lalu telah diumumkan suatu penemuan besar di bidang astronomi: Terdeteksinya gelombang gravitasi dari hasil penggabungan dua buah lubang hitam menjadi satu lubang hitam oleh tim Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO).

Para ilmuwan sedemikian terpesona akan pengumuman itu karena menganggap hal tersebut akan membuka lembaran baru dalam ilmu astronomi dan astrofisika. Sementara sebagian kita sambil mengernyitkan dahi bergumam, “Apa pentingnya penemuan itu bagi kita?”. Baiklah, mari kita bahas bersama hal tersebut.

Apakah yang dimaksud dengan gelombang gravitasi?
Mari kita lakukan percobaan sederhana dengan melempar sebuah batu ke sebuah kolam yang tenang.  Apa yang terjadi? Ya, batu akan tenggelam, air akan terciprat, dan satu lagi: terbentuk riak-riak air di permukaan kolam yang semakin menjauhi titik awal tenggelamnya batu di kolam. Itulah gelombang di permukaan air. Sebagai catatan, semakin besar massa batu yang kita lemparkan akan semakin besar riak air yang terjadi. Hal ini dapat diketahui saat kita mempelajari perilaku gelombangnya. Dengan kata lain, gelombang di permukaan air tersebut membawa informasi sumber penyebab terjadinya riak di air.

Hal yang mirip akan terjadi pada kasus gelombang gravitasi. Menurut Einstein pada tahun 1916, saat sebuah benda bermassa sangat besar dan bergerak dipercepat, akan terbentuk riak kecil pada ruang waktu di sekitarnya dan menjalar menjauhi benda tersebut. Riak pada ruang waktu inilah yang disebut sebagai gelombang gravitasi dengan laju penjalaran sama dengan laju cahaya, yaitu tiga ratus ribu kilometer perdetik. Sebagaimana riak-riak di permukaan air, gelombang gravitasi pun membawa informasi penyebab terjadinya riak-riak pada ruang waktu tersebut.

Berbeda dengan riak-riak di permukaan air yang dapat diamati dengan mata dan hanya perlu sebuah benda kecil untuk dilemparkan ke air, riak-riak pada ruang waktu itu teramat sangat kecil hingga diperlukan sumber massa yang sangat besar dan geraknya dipercepat. Contohnya adalah dua buah lubang hitam yang saling mengitari satu sama lain. Saat saling mengitari itulah, jarak antara kedua lubang hitam itu akan semakin mendekat dan laju keduanya semakin dipercepat hingga mendekati laju cahaya. Pada akhirnya  kedua lubang hitam itu akan saling menyatu untuk membentuk satu lubang hitam yang lebih besar. Sebagai catatan, lubang hitam adalah objek dengan massa yang jauh lebih besar dari Matahari kita. Adapun massa Matahari kita adalah 2 juta triliun triliun (angka 2 diikuti dengan angka 0 sebanyak 30 buah) kilogram. Berikut ilustrasi video penggabungan dua buah lubang hitam dan gelombang gravitasi yang dihasilkannya.

Ilustrasi penggabungan dua lubang hitam. Sumber: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v3

Ilustrasi penjalaran gelombang gravitasi. Sumber: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v4

Bagaimana LIGO bisa mendeteksi gelombang gravitasi dan yakin bahwa yang terdeteksi memang benar-benar singal yang berasal dari gelombang gravitasi dan bukan dari yang lainnya?
Saat gelombang gravitasi melewati suatu benda, ia akan membuat benda tersebut sedikit berubah bentuk pada bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang gravitasi tersebut. Sebagai contoh adalah saat gelombang gravitasi datang mengarah menuju Bumi dari arah atas kota Pontianak. Akibat efek gelombang gravitasi ini, bola Bumi pada arah Timur-Barat dari kota Pontianak akan mampat, sementara pada arah Utara-Selatannya akan memuai. Beberapa waktu kemudian, arah Timur-Barat menjadi memuai dan arah Utara-Selatan menjadi memampat. Hal ini terjadi berulang-ulang sampai gelombang gravitasinya lewat. Ilustrasi videonya adalah sebagai berikut.

Ilustrasi video bumi yang memuai dan memampat karena adanya gelombang gravitasi. Sumber: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v5

Tentu saja pada ilustrasi di atas, efek gelombang gravitasinya sudah diperbesar sedemikian rupa. Dalam kenyataannya, efek gelombang gravitasi yang berasal dari penggabungan dua buah lubang hitam pada pemuaian dan pemampatan detektor yang dipasang di Bumi sangatlah kecil, yaitu tidak lebih dari 10^-18 meter. Sebagai perbandingan, ukuran ini adalah satu per seribu kali ukuran sebuah proton. Karena itu diperlukan detektor yang supersensitif dan lingkungan yang benar-benar terjaga dari derau yang bisa mengganggu pengukuran gelombang gravitasi tersebut.

Hingga saat ini setidaknya terdapat empat sistem pendeteksi gelombang gravitasi di permukaan bumi. Yaitu LIGO di Amerika Serikat, Virgo di Italia, GEO600 di Jerman, dan TAMA300 di Jepang. Secara umum desain alatnya adalah seperti huruf L, yang dimaksudkan untuk mendeteksi pemampatan dan pemuaian pada arah yang saling tegak lurus. Sebagai contoh, panjang setiap “lengan” LIGO adalah empat kilometer.  Di dekat dekat perpotongan kedua lengan itu ditempatkan sebuah laser dan detektor. Sementara pada masing-masing ujung lengan LIGO ditempatkan cermin untuk memantulkan gelombang laser yang diterima. Jika tidak ada gelombang gravitasi, gelombang laser yang dipantulkan balik oleh kedua cermin tersebut akan saling meniadakan sehingga detektor tidak akan menerima sinyal apapaun. Lain halnya jika ada gelombang gravitasi yang lewat. Saat panjang salah satu lengan memuai, panjang lengan lainnya akan memendek. Akibatnya, sinar laser yang dipantulkan kedua cermin tidak akan saling meniadakan, sehingga detektor akan menerima sinyal. Hal ini diilustrasikan pada video berikut.

Ilustrasi Video konsep LIGO. Sumber: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v6

Pada kasus terdeteksinya gelombang gravitasi yang diumumkan pada Kamis, 11 Februari 2016 lalu itu, pemuaian dan pemanjangan masing-masing lengan LIGO hanyalah satu per milyar triliun kali dari ukuran panjang setiap lengan. Suatu ukuran yang teramat sangat kecil! Untuk itu diperlukan ketepatan pengukuran, terutama dalam hal waktu, mengingat pengukuran panjang dilakukan dengan sinar laser. Tentunya dalam hal ini diperlukan penggunaan jam atom yang akurat. Selain itu, diperlukan juga kontrol derau (noise) dengan sangat baik. Misalnya derau dari lingkungan sekitar sensor atau derau dari sumber palsu (false alarm) seperti gempa bumi. Untuk itu dipasang alat pendukung, seperti seismometer untuk mendeteksi gempabumi, accelerometer untuk mendeteksi percepatan tanah, magnetometer untuk mendeteksi gangguan kemagnetan pada alat yang ada, sensor cuaca, penerima gelombang radio, microphone, pendeteksi sinar kosmik, bahkan hingga alat untuk memonitor sumber listrik. Hal ini dimaksudkan agar sinyal yang terdeteksi benar-benar diyakini berasal dari gelombang gravitasi dan bukan dari lainnya.

Untuk mengurangi kesalahan pengukuran di satu lokasi, dibuat detektor yang sama persis di dua tempat yang berjauhan, yaitu di Hanford, Washington (di bagian Barat Laut Amerika Serikat) dan Livingston, Lousiana (di bagian Tenggara Amerika Serikat) dengan arah hadap sensor yang tertentu. Jika diukur dalam satuan cahaya, jarak antara kedua titik lokasi tersebut adalah 10 milidetik cahaya. Artinya jika pada suatu saat terdeteksi sinyal di Hanford dengan pola tertentu, dan 10 milidetik kemudian terdeteksi pula sinyal dengan pola yang sama di Livingston, maka itu adalah indikasi pertama bahwa sinyalnya berasal dari gelombang gravitasi. Jika hal ini tidak terjadi, maka yang terdeteksi itu pasti bukan sinyal dan hanya berupa derau lokal.

Selain itu mereka juga sebelumnya telah melakukan simulasi pola gelombang gravitasi dari berbagai sumber sehingga bank data ini dapat langsung dibandingkan dengan sinyal yang terdeteksi. Pada Gambar 1 ditampilkan estimasi gelombang gravitasi dari hasil penggabungan dua buah lubang hitam yang terdeteksi oleh LIGO pada 14 September 2015. Sebagaimana terlihat pada Gambar 1, skala pemuaian dan pemampatan lengan LIGO hanyalah satu per milyar triliun kali dari ukuran panjang setiap lengan. Adapun proses penggabungan kedua lubang hitam itu tak lebih dari satu detik saja!

Apa interpretasi gelombang gravitasi yang diamati oleh LIGO?
Berdasarkan data yang diperoleh tim LIGO, gelombang gravitasi terdeteksi pada 14 September 2015 pukul 09:50:45 UTC. Hal ini dikodekan dengan nama GW150914. Dari hasil perbandingan dengan bank data hasil simulasi gelombang gravitasi, diketahui gelombang gravitasi itu berasal dari penggabungan dua buah lubang hitam yang membentuk lubang hitam. Pada tahap awal, kedua lubang hitam ini saling mengitari satu sama lain dengan jarak awal keduanya lebih dari empat kali radius Schwarzschild dan laju awal sedikit lebih tinggi dari 0,3 kali laju cahaya. Semakin lama, jarak kedua benda ini semakin mengecil dan laju yang semakin cepat. Pada proses tersebut ruang waktu di sekitar lubang hitam menjadi terdistorsi dan terpancarlah radiasi berupa gelombang gravitasi. Akhirnya kedua benda langit itu bersatu membentuk lubang hitam tunggal. Pada tahap itulah puncak riak gelombang gravitasi dipancarkan. Setelah itu, gelombang gravitasi pun semakin melemah. Keseluruhan proses penggabungan ini tidak lebih dari satu detik saja!

Berdasarkan analisis data pula diketahui massa awal masing-masing lubang hitam itu adalah 36 dan 29 kali massa Matahari. Adapun massa lubang hitam yang terbentuk dari hasil penggabungan ini adalah 62 kali massa Matahari. Berdasarkan matematika biasa, seharusnya penjumlahan 36 dan 29 haruslah 65. Namun ternyata hasil yang diperoleh tim LIGO hanyalah 62. Ke mana selisih 65 dan 62, yaitu 3 kali massa Matahari itu? Itulah massa lubang hitam yang “terbuang” dalam proses penggabungan keduanya dalam bentuk gelombang gravitasi dan hampir semuanya dipancarkan dalam satu detik saja. Sebagai perbandingan, dalam satu detik massa Matahari yang diubah menjadi energi berupa radiasi elektromagnetik hanyalah satu per milyar triliun massa Matahari. Selain itu, saat kita bandingkan dengan kecerlangan (luminositas) total bintang dan galaksi di alam semesta, energi gelombang gravitasi yang diradiasikan oleh GW150914 itu masih lebih besar sepuluh kalinya.

Menurut tim LIGO, proses di atas terjadi pada 1,3 milyar tahun lalu. Hal ini mengingat gelombang gravitasi menjalar dengan laju yang terbatas, yaitu laju cahaya, sehingga baru pada tanggal 14 September 2015 terdeksi oleh LIGO.

Apa implikasi hasil yang diperoleh LIGO?
Setidaknya hasil yang diperoleh tim LIGO membuktikan dua hal, pertama dan paling utama adalah gelombang gravitasi memang ada. Gelombang ini telah diprediksi keberadaannya pada 1916 lalu oleh Einstein; hanya setahun setelah ia memformulasikan teori relativitas umumnya. Hingga sebelum teramati oleh tim LIGO secara langsung, keberadaan gelombang gravitasi hanya berupa bukti tak langsung. Misalnya dari hasil pengamatan semakin kecilnya radius orbit dua buah pulsar yang saling mengitari satu sama lain. Pembuktian yang kedua adalah  proses penggabungan dua buah lubang hitam memang ada dan dapat dideteksi.

Dengan terbukti adanya gelombang gravitasi, jendela baru di bidang astronomi pun menjadi terbuka dan semakin lebar, yaitu astronomi dan astrofisika dengan memanfaatkan gelombang gravitasi. Jika selama ini kita “hanya” meneliti alam semesta dengan memenfaatkan gelombang elektromagnetik; dari panjang gelombang radio, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X hingga sinar gamma; plus neutrino, ke depan kita bisa memanfaatkan gelombang gravitasi tersebut. Ini karena, sebagaimana gelombang elektromagnetik dan neutrino, gelombang gravitasi pun dapat dianggap sebagai kurir informasi. Dengan memadukan hasil pengamatan kurir informasi yang berbeda, tentunya akan memberi kita perspektif baru dalam memahami objek-objek di alam semesta; bahkan alam semesta itu sendiri.

Sebagai contoh adalah pada pemahaman alam semesta dini setelah terjadinya dentuman besar (big bang). Dengan bantuan gelombang elektromagnetik, kita bisa memahami alam semesta hingga tiga ratus delapan puluh ribu tahun sejak terjadinya dentuman besar. Dengan bantuan neutrino, kita dapat mempelajari alam semesta hingga dua detik sejak terjadinya dentuman besar itu. Meskipun dengan bantuan gelombang elektromagnetik kita pun mungkin untuk memahami alam semesta jauh lebih awal dari satu detik, namun itu hanyalah bukti tak langsung. Dengan bantuan gelombang gravitasilah pemahaman kita akan proses fisis alam semesta dapat didorong lebih jauh lagi hingga hanya beberapa saat setelah terjadinya dentuman besar, yang diperkirakan terjadi pada satu per triliun triliun triliun detik setelah dentuman besar. Maka tidaklah berlebihan jika para ilmuwan sedemikian terpesona akan pengumuman terdeteksinya gelombang gravitasi oleh tim LIGO, karena menganggap hal tersebut akan membuka lembaran baru dalam ilmu astronomi dan astrofisika.

Apa pentingnya hasil tersebut bagi kita?
Inilah salah satu pertanyaan yang sering diajukan dan wajar, bukan hanya di negara berkembang seperti Indonesia, namun juga di negara-negara maju.

Setidaknya ada dua hal yang menyebabkan hasil tim LIGO tersebut penting bagi kita. Poin pertama adalah pada penguasaan ilmu pengetahuan dan teknologi. Sebagaimana diuraikan di atas, untuk membuat alat sesensitif LIGO, yaitu bisa mendeteksi pemampatan dan peregangan yang hanya satu per milyar triliun kali dari ukuran panjang setiap lengan, diperlukan penguasaan teknologi yang tinggi dan kompleks serta pemahaman sifat-sifat gelombang gravitasi. Tentu saja untuk membangunnya diperlukan investasi jangka panjang yang tidak sedikit, baik investasi sumber daya manusia maunpun investasi lainnya.

Hasilnya pun merupakan suatu investasi jangka panjang. Bayangkanlah keadaan yang mirip pada tahun 1861 saat Maxwell merumuskan persamaan matematika untuk gelombang elektromagnetik. Pada saat itu, belum diketahui aplikasi persamaannya. Namun hanya dalam beberapa dekade kemudian disadari betapa pentingnya persamaan tersebut untuk membangun teknologi komunikasi. Sekarang kita rasakan hasilnya berupa teknologi nirkabel dan internet. Jika saat itu persamaan Maxwell tidak diformulasikan, bisa jadi teknologi komunikasi tidak semaju saat ini dan teknologi nirkabel pun tidak ada. Investasi jangka panjang itu akan membuahkan hasil berupa kemajuan suatu negara. Hingga saat ini kita belum tahu apa aplikasi gelombang gravitasi. Namun siapa tahu pada masa depan ada teknologi berbasiskan gelombang gravitasi ini.

Poin kedua dan yang sangat penting adalah perkembangan kemanusiaan itu sendiri. Terdeteksinya gelombang gravitasi menjadikan kita untuk mempelajari proses-proses luar biasa yang mungkin tidak akan pernah terjadi di Bumi. Bahkan membangkitkan keingintahuan kita untuk lebih jauh mempelajari proses terbentuknya alam semesta ini. Tentu saja semua ini menuntun kita untuk mengetahui posisi kita di alam semesta. Pun memberi kita pemahaman bahwa kita, manusia, tidak ada apa-apanya dibandingkan ukuran lubang hitam itu, apalagi dengan ukuran alam semesta.