Lika Liku LIGO Menuju Hadiah Nobel Fisika 2017

Hadiah Nobel Fisika 2017 diberikan kepada trio fisikawan yang berperan penting dalam penemuan gelombang gravitasi yang dideteksi oleh Detektor LIGO.

Pada tahun 1916, Einstein mengemukakan teori, “ketika 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”.

Satu abad kemudian, teori yang dikemukakan Einstein berhasil dikonfirmasi. Riak pada alam semesta bukan sekedar teori. Riak itu ada dan bisa dideteksi pada tahun 2015 oleh Detektor kembar LIGO yang berada di Amerika.

Dua tahun kemudian, trio fisikawan yang berperan penting dibalik kontribusi LIGO dianugerahkan Hadiah Nobel. Mereka adalah para pionir penemuan gelombang gravitasi, yakni Rainer Weiss dan Kip S. Thorne, serta Barry C. Barish yang pernah menjabat sebagai Direktur LIGO dari tahun 1997 – 2005.

Rainer Weiss, Profesor Emeritus dari Massachusetts Institute of Technology, yang memperoleh setengah dari hadiah Nobel Fisika tersebut merupakan seorang eksperimentalis yang memberikan kontribusi besar dalam membangun konsep, merancang, pendanaan dan pembangunan LIGO. Weiss adalah pendatang dari Jerman yang datang ke Amerika bersama keluarganya untuk menghindari NAZI. Ia  pernah dropout saat kuliah tahap sarjana sebelum kemudian ia kembali dan bekerja sebagai fisikawan di MIT.  Setengah hadiah Nobel Fisika 2017 diberikan pada Kip S. Thorne, ahli Fisika Teori dari California Institute of Technology, Pasadena, yang kita kenal sebagai konsultan untuk film Interstellar dan Barry C. Barish dari California Institute of Technology, Pasadenayang berperan besar menjadikan LIGO sebagai organisasi sains raksasa di dunia.

Ketiganya memang memiliki peran yang sangat penting dalam mewujudkan penemuan gelombang gravitasi yang sangat bersejarah itu. Tanpa mereka, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, atau Ligo tidak akan mencapai kesuksesannya dengan mendeteksi 4 gelombang gravitasi yang berasal dari tabrakan mematikan dua lubang hitam yang bergabung.

Gelombang gravitasi pertama yang jadi tonggak sejarah era baru di astronomi berhasil dideteksi LIGO pada bulan September 2015, disusul peristiwa kedua pada bulan Desember di tahun yang sama. Kedua peristiwa inilah yang memastikan keberadaan riak di alam semesta yang timbul akibat tabrakan dua lubang hitam menjadi awal bagi kita untuk mendengar simfoni dari alam semesta yang membawa cerita yang tidak bisa dilihat oleh gelombang elektromagnetik maupun neutrino.

Kurir informasi baru di alam semesta berhasil ditemukan!

Perjalanan Detektor LIGO

Penemuan ini bukan perjalanan instan. Kisah kesuksesan LIGO adalah cerita perjalanan setidaknya selama 40 tahun yang tak lepas dari peran Rainer Weiss, Ronald Drever, dan Kip S. Thorne yang kemudian berkolaborasi di awal tahun 1980-an untuk membangun detektor yang bisa mendengar riak dari alam semesta. Ketiganya dikenal sebagai troika aka trio pendiri detektor raksasa kembar LIGO di Livingston, Lousiana dan Hanford, Washington. Dari ketiga pendiri tersebut, Ronald Drever telah lebih dahulu tutup usia tanggal 7 Maret 2017.

Selain trio pendiri detektor kembar LIGO, kehadiran Barry C. Barish juga sangat penting dalam mengantarkan LIGO menuju kesuksesannya. Tanpa Barish, LIGO mungkin sudah berhenti beroperasi karena masalah dana. Kehadiran Barish pada tahun 1994 sebagai peneliti utama dan kemudian Direktur LIGO tahun 1997 – 2005, membawa perubahan besar bagi LIGO dan menjadikan LIGO sebagai sebagai organisasi sains raksasa yang dimotori dengan baik sehingga bisa terus berkembang.

Menelusuri jejak perjalanan LIGO dan pendeteksian gelombang gravitasi, maka kita harus mulai sejak tahun 1960-an, ketika Joseph Weber dari Universitas Maryland memulai usaha membangun detektor gelombang gravitasi dengan silinder alumunium raksasa yang akan bergetar saat merespon gelombang yang lewat. Pendekatan yang sama yang juga digunakan saat ini.

Ketika usaha ini dimulai, tentu saja ada keraguan di kalangan fisikawan tentang keberadaan gelombang gravitasi. Tapi, di tahun 1974, keberadaan gelombang gravitasi dikonfirmasi secara tidak langsung saat para ilmuwan meneliti kilat radio yang dipancarkan oleh sepasang bintang neutron yang bergabung. Pergeseran pada waktu kilat / kilas ternyata cocok dengan karakter gelombang gravitasi jika terjadi peristiwa tersebut. Penemuan ini akhirnya memperoleh Hadiah Nobel Fisia di tahun 1993.

Khusus untuk pendekatan deteksi ala LIGO dengan interferometer laser dimulai tahun 1962 ketika Michael Gertsenshtein dan Vladislav Pustovoit di Moscow Russia, dan diajukan juga secara terpisah oleh Joseph Weber dan Rainer Weiss di Amerika. Di tahun 1972, Rainer Weiss berhasil menyelesaikan detik perhitungan dan analisisnya terkait cara kerja detektor gelombang gravitasi interferometrik yang bisa mendeteksi seluruh sumber derau fundamental dan bagaimana menyelesaikan permasalahan setiap derau tersebut. Kala itu, Weiss juga tidak yakin kalau konsep dan rancangannya bisa diwujudkan.

Pertengahan tahun 1970-an, Weiss yang merupakan pendatang di Amerika ini membangun prototipe detektor gelombang gravitasi. Selain Weiss di MIT, detektor serupa juga dibangun di Eropa oleh Hans Billing di Garching, Jerman, serta Ronald Drever, James Hough dan rekan-rekannya di Glasgow, Skotlandia.

Tapi, perlu diingat juga kalau mendeteksi gelombang gravitasi itu tidak mudah. Interferemoter yang dibangun di tahun 1970-an itu terus menerus diperbarui sensitivitasnya dan juga kemampuannya untuk menghadapi setiap masalah. Untuk bisa mendeteksi riak tersebut merupakan tugas yang monumental dan luar biasa sulit. Kok bisa?

Riak yang ditimbulkan oleh keruntuhan bintang atau penggabungan dua lubang hitam itu tidak sedasyat di lokasi kejadian. Semakin jauh dari lokasi, efek yang ditimbulkan akan semakin kecil. Dan ketika riak itu menerpa Bumi, efeknya sudah luar biasa kecil.

Efek gelombang gravitasi yang berasal dari penggabungan dua buah lubang hitam di tahun 2015 pada pemuaian dan pemampatan detektor yang dipasang di Bumi 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. – Rukman Nugraha

Jadi, butuh waktu panjang untuk merancang detektor yang tepat untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Butuh ketekunan yang tentu saja membutuhkan biaya yang juga tidak sedikit untuk mencapai hasil yang luar biasa.

Pertemuan Rainer Weiss dan Kip Thorne yang ahli relativitas umum pada tahun 1975 pada akhirnya membawa mereka pada sebuah kolaborasi bersama Ronald Drever di awal tahun 1980-an untuk membangun LIGO. Dan pada tahun 1990, National Science Foundation Amerika menyetujui pembangunan LIGO. Dua lokasi ditentukan yakni di Hanford dan Livingston, dan pembangunan pun dimulai pada tahun 1994 – 1995.

Tidak ada perjalanan yang mulus, apalagi jika berurusan dengan pendanaan dan kemampuan manajerial para ilmuwan yang memang tidak memiliki keahlian tersebut. Dari tahun 1989 – 2004, LIGO tidak memberikan kemajuan berarti sehingga pendanaan seringkali ditolak. Berbagai permasalahan yang dihadapi itu akhirnya bisa diatasi dengan baik setelah Barry C. Barish diangkat sebagai Direktur LIGO.

Perubahan besar yang dilakukan Baris saat itu adalah memisahkan organisasi LIGO dalam dua entitas berbeda. Yang pertama, Laboratorium LIGO di Caltech, MIT, Hanford dan Livingston, bertanggung jawab untuk menangani operasional LIGO serta menangani riset dan pengembangan interferometer tersebut. Yang kedua, LIGO Scientific Collaboration (LSC), bertanggung jawab untuk mengatur dan mengkoordinasi penelitian ilmiah dan teknis LIGO, data analisis, pengembangan LIGO yang melibatkan kolaborasi dengan ilmuwan di luar Caltech dan MIT. Masalah lain yang tentu saja dihadapi seluruh organisasi sains juga berhasil dipecahkan, masalah itu tak lain tak bukan adalah pendanaan.

Tahun 2002, detektor LIGO dibuka dan mulai beroperasi. Tapi tidak banyak yang bisa dideteksi saat itu. Pada tahun 2010, LIGO akhirnya ditutup dan mengalami perombakan untuk dibuka kembali pada tahun 2015 dengan kemampuan detektor 3 kali lebih sensitif dari sebelumnya.

Hasilnya, gelombang gravitasi pertama berhasil dideteksi pada tanggal 14 September 2015, saat interferometer kembar itu masih dikalibrasi beberapa hati sebelum tenggat resmi untuk dioperasikan kembali. Ternyata, alam semesta memang sangat baik. Riak berikutnya berhasil dideteksi LIGO pada tanggal 26 Desember 2015. Kedua riak ini jadi konfirmasi teori Einstein akan keberadaan gelombang gravitasi di alam semesta yang datang dari penggabungan dua lubang hitam.

Gelombang gravitasi ke-4 yang dideteksi LIGO juga didengar VIRGO, interferometer serupa di Pisa, Italia. Tahun 2016, LIGO sudah menjadi kolaborasi raksasa yang melibatkan 1000 ilmuwan dari 75 institusi di 15 negara. Kolaborasi lain yang akan dilakukan di masa depan adalah pembangunan LIGO di India atau INDIGO yang direncanakan bisa diwujudkan di area Hingoli, India bagian barat.

Selamat untuk ketiga Nobel Laurette dan seluruh tim LIGO!