Apa Saja Kontribusi Relativitas Umum?

Apa saja kontribusi dari teori relativitas umum yang dibangun Albert Einstein dalam dunia fisika dan kehidupan sehari – hari saat ini?

(Samuel – Balige)

Singkatnya, teori relativitas Einstein kita bisa memahami alam semesta dalam skala besar. Teori relativitas umum tidak hanya menjelaskan gerak planet tapi juga bisa menjelaskan sejarah dan pemuaian alam semesta, keberadaan lubang hitam, dan pembelokan cahaya dari bintang ataupun galaksi jauh.

Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi merupakan bagian dari ruang-waktu. Di dalam ruang-waktu, keberadaan massa akan melengkungkan ruang-waktu, dan objek-objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut.

Bukti tersebut bisa ditemukan pada gerak Merkurius dalam mengelilingi Matahari. Planet Merkurius bergerak mengikuti kelengkungan ruang waktu yang disebabkan oleh Matahari, dan akibatnya pengamat akan menemukan pergeseran posisi Merkurius sebesar 43 detik busur per abad. Meskipun hasil presesi Merkurius yang dihitung dengan relativitas umum sesuai dengan pengamatan, bukti lain masih diperlukan.

Pengujian pertama untuk melihat kelengkungan cahaya saat melewati benda bermassa besar berhasil dibuktikan. Pengamatan gerhana matahari total 1919 oleh Eddington memperlihatkan cahaya bintang dari gugus Hyades yang berada de dekat piringan Matahari mengalami pembelokan.

Relativitas umum Einstein terbukti. Dan implikasinya tidak hanya itu. Kita bisa memahami alam semesta.

Lubang Hitam

Musim dingin 1915 – 1916, Karl Schwarzschild yang sedang berada di medan perang berhasil memecahkan solusi pertama dari persamaan medan Einstein. Dalam solusi ini, Schwarzschild memperlihatkan geometri ruang waktu di sekitar bintang yang kerapatannya sangat tinggi. Jika ada bintang seperti ini, gravitasinya yang sangat kuat akan melengkungkan ruang waktu dan mengakibatkan informasi tidak bisa keluar, termasuk cahaya. Menurut Einstein, ide ini hanya nyata dalam bentuk teori.

Akan tetapi, pada era 1960-an, lubang hitam dibuktikan keberadaannya sebagai konsekuensi dari keruntuhan bintang masif. Meskipun lubang hitam tak bisa diamati secara langsung, para astronom berhasil mengetahui keberadaannya dari perilaku materi yang ada di sekelilingnya yang dipengaruhi oleh gravitasi lubang hitam yang sangat besar.

Baru pada tahun 2019, keberadaan lubang hitam bisa dipotret oleh Teleskop Event Horizon dan kita bisa melihat perilaku cahaya yang mengalami pembelokan di sekeliling area horison peristiwa lubang hitam.

Pemuaian Alam Semesta

Jejak evolusi alam semesta. Kredit: CERN

Dari satu persamaan medan Einstein, kita bisa memahami alam semesta. Ini menariknya relativitas umum. Prediksi ini dikemukakan oleh Alexander Friedmann dan Georges Lemaître. Menurut mereka, alam semesta itu berevolusi. Jadi alam semesta pada awalnya kecil dan padat, kemudian memuai sehingga galaksi akan bergerak saling menjauh satu sama lainnya.

Ide ini berhasil dibuktikan oleh Edwin Hubble yang mengamati pergerakan galaksi. Pada awalnya Hubble mengamati nebula spiral yang ternyata merupakan galaksi serupa Bima Sakti dan jaraknya jutaan sampai miliaran tahn cahaya. Pengamatan itu juga memperlihatkan kalau cahaya dari galaksi yang diamati mengalami pergeseran merah. Fenomena ini hanya bisa dijelaskan kalau galaksi – galaksi tersebut menjauh dari kita. Itu artinya, alam semesta mengembang atau memuai. Selain itu, Hubble juga menemukan kalau galaksi jauh bergerak lebih cepat dibanding galaksi-galaksi dekat.

Jika saat ini galaksi – galaksi bergerak menjauh, maka pada suatu masa alam semesta ini tentu kecil, padat, dan sangat panas. Teori inilah yang dikenal sebagai Big Bang atau Dentuman Besar. Sisa dari Big Bang berhasil ditemukan dalam bentuk radiasi latar belakang, radiasi panas yang dipancarkan materi ketika alam semesta baru berusia 380.000 tahun. Dari radiasi latar belakang, kita bisa mengetahui temperatur alam semesta kala itu yakni 10³² K. Tapi, alam semesta kemudian memuai dan mendingin dengan temperatur saat ini 2,73 K ± 10^-5 K. Dari hasil radiasi latar belakang ini pulalah dibuktikan bahwa pada skala besar, alam semesta memang seragam.

Dengan relativitas kita bisa mengetahui pemuaian dan evolusi alam semesta. Dengan demikian kita bisa mengetahui seperti apa akhir dari alam semesta. Hasil pengamatan masa kini telah berhasil mengetahui laju pemuaian alam semesta. Selain itu, kemampuan instrumentasi yang semakin baik juga telah berhsil menemukan galaksi muda kala alam semesta baru saja terbentuk. Sebuah perjalanan waktu untuk memahami evolusi alam semesta.

Alam Semesta nan Gelap

Pemuaian alam semesta yang diprediksi oleh relativitas umum telah berhasil dibuktikan dari pengamatan gerak galaksi yang saling menjauh. Ketika kita sudah berhasil mengamati galaksi-galaksi jauh, maka pemetaan pun bisa dilakukan untuk memperoleh gambaran besar alam semesta. Ternyata, hampir 95 persen alam semesta tersusun atas materi yang tak bisa dipahami. Semua yang bisa kita amati seperti, planet, bintang, galaksi, gas dan debu, hanyalah 5 persen dari keseluruhan kandungan alam semesta.

Indikasi materi gelap ini pertama kali muncul ketika Frits Zwicky meneliti gerak galaksi-galaksi dalam Gugus Galaksi Coma. Ia melakukan perhitungan massa total Gugus berdasarkan kecepatan gerak galaksi dan perhitungan massa total berdasarkan kecerlangan mereka. Ternyata, massa dari gerak galaksi empat ratus kali lebih besar daripada massa yang dihitung dari kecerlangan. Itu artinya ada materi misterius yang tidak memancarkan cahaya. Materi gelap.

Materi gelap ini jugalah yang berkontribusi untuk menghasilkan gravitasi yang kuat untuk tetap mempertahankan keutuhan galaksi. Materi gelap diduga berada di area halo galaksi, dan massanya cukup besar untuk membelokan cahaya yang lewat di dekatnya. Efek yang dikenal sebagai lensa gravitasi ini sudah berhasil diamati pada sejumlah gugus galaksi dan merupakan bukti kuat keberadaan materi gelap.

Materi gelap bukan satu-satunya misteri di alam semesta. Pengamatan juga memperlihatkan semesta kita memuai dipercepat, meski jumlah total materi (baryon dan materi gelap) tidak memungkinkan hal itu terjadi. Hal ini diduga terjadi akibat keberadaan energi gelap yang mendominasi alam semesta dan menyebabkan alam semesta memuai dipercepat.

Pemuaian alam semesta yang dipercepat ini berhasil diketahui dari supernova dengan pergeseran merah tinggi. Bukti lain keberadaan energi gelap berasal dari pengamatan radiasi latar belakang yang memperlihatkan bahwa seluruh materi (baryon dan materi gelap) dalam alam semesta hanya memberikan kontribusi sekitar sepertiga dari nilai kerapatan alam semesta yang diamati. Itu artinya ada komponen lain yang mengisi kekurangan, yakni energi yang tidak tampak. Diduga, kandidat energi gelap bisa ditemukan dalam konstanta kosmologi Λ dalam persamaan Einstein dalam relativitas umum. Kontanta Kosmologi Λ ini pada awalnya dimasukan untuk mengimbangi gravitasi agar bisa mempertahankan model alam statis.

Gelombang Gravitasi

Gambar ini mengilustrasikan dua lubang hitam yang saling mengitari satu sama lain. Sistem semacam inilah yang menciptakan gelombang gravitasi yang berhasil dideteksi untuk pertama kalinya. Kredit: MIT-Caltech.

Beradasarkan relativitas umum Einstein, 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.

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.

Penemuan gelombang gravitasi inilah yang makin mengukuhkan teori relativitas umum Einstein yang dibangun 100 tahun sebelumnya. Gelombang Gravitasi berhasil dideteksi LIGO pada tahun 2015. Bukan hanya dari tabrakan dua lubang hitam yang berhasil dideteksi oleh LIGO dan VIRGO, melainkan juga tabrakan bintang neutron.

Relativitas Umum dalam Kehidupan Sehari-hari

Ide bahwa gravitasi adalah kelengkungan ruang waktu memang tidak mudah dibayangkan. Akan tetapi, implikasinya bisa kita temukan bahkan dalam kehidupan sehari-hari. Yang paling mudah, semakin kita menjauh dari massa yang besar maka gravitasi akan melemah dan waktu lebih cepat.

Perbedaan ini bisa dibuktikan pada orang yang tinggal di permukaan Bumi dan orang yang berada pada gedung yang sangat tinggi. Seseorang yang berada pada gedung yang sangat tinggi, waktunya akan lebih cepat dalam orde nano detik, dan usianya memendek.

Untuk kasus ekstrim, ketika seseorang bisa mendekati lubang hitam seperti pada film interstellar, waktunya melambat dibanding seseornag yang berada jauh di luar pengaruh lubang hitam.

Salah satu manfaat lubang hitam adalah sistem GPS (Global Positioning System). Terdapat 24 satelit GPS yang mengorbit Bumi pada ketinggian 20.300 km dengan kecepatan 3800 meter / detik. Pada ketinggian tersebut, medan gravitasinya juga berbeda sehingga waktunya lebih cepat dibanding di permukaan Bumi. Perbedaannya memang sangat kecil hanya dalam orde 7 nanodetik. Tapi, dalam satu hari, perbedaan itu bisa membuat tingkat akurasi GPS bergeser ~ 8 – 11 km. Karena itulah satelit yang mengorbit Bumi sudah diprogram untuk selalu melakukan sinkronisasi waktu agar tingkat akurasinya terjaga.

Tak hanya itu. Penemuan gelombang gravitasi oleh detektor LIGO dan VIRGO juga membawa teknologi detektor ini masuk dalam dunia perminyakan. Rupanya, salah satu perusahaan gas dan minyak dunia sedang mengembangkan salah satu sensor LIGO untuk mendeteksi anomali gravitasi yang sangat kecil di Bumi akibat aktivitas seismik. Gunanya, untuk mencari sumber minyak Bumi dan waduk gas alam baru di dalam Bumi.

Itu sekilas tentang kontribusi relativitas Einstein.

Bacaan untuk tulisan ini:

Punya pertanyaan tentang astronomi? Silahkan Tanya LS !