Pada bulan Februari 2016, saintis yang bekerja untuk Observatorium Gelombang Interferometer Laser (LIGO) melakar sejarah ketika mereka mengumumkan pengesanan gelombang graviti yang pertama. Sejak masa itu, banyak pengesanan telah dilakukan dan kerjasama ilmiah antara pemerhati - seperti Advanced LIGO dan Advanced Virgo - memungkinkan tahap kepekaan dan perkongsian data yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Bukan sahaja pengesanan gelombang graviti pertama kali merupakan pencapaian bersejarah, tetapi juga mengantar era astrofizik baru. Tidak hairanlah mengapa ketiga-tiga penyelidik yang menjadi pusat pengesanan pertama telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik 2017. Hadiah itu diberikan bersama kepada profesor Caltech emeritus Kip S. Barish, bersama dengan profesor MIT emeritus Rainer Weiss.
Secara sederhana, gelombang graviti adalah riak dalam ruang-waktu yang dibentuk oleh peristiwa astronomi utama - seperti penggabungan pasangan lubang hitam binari. Mereka mula-mula diramalkan lebih dari satu abad yang lalu oleh Teori Relativiti Umum Einstein, yang menunjukkan bahawa gangguan besar akan mengubah struktur ruang-waktu. Namun, baru beberapa tahun kebelakangan ini bukti bukti gelombang ini diperhatikan untuk pertama kalinya.
Isyarat pertama dikesan oleh observatorium kembar LIGO - di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana, masing-masing - dan dikesan pada penggabungan tahi lalat hitam 1.3 miliar tahun cahaya. Sehingga kini, empat pengesanan telah dilakukan, semuanya disebabkan oleh penggabungan pasangan lubang hitam. Ini berlaku pada 26 Disember 2015, 4 Januari 2017, dan 14 Ogos 2017, yang terakhir dikesan oleh LIGO dan pengesan gelombang graviti Virgo Eropah.
Atas peranan yang mereka mainkan dalam pencapaian ini, separuh daripada hadiah tersebut diberikan bersama kepada Caltech's Barry C. Barish - Ronald dan Maxine Linde Profesor Fizik, Emeritus - dan Kip S. Thorne, Richard P. Feynman Profesor Fizik Teoretikal , Emeritus. Separuh lagi diberikan kepada Rainer Weiss, Profesor Fizik, Emeritus, di Institut Teknologi Massachusetts (MIT).
Seperti yang dinyatakan oleh presiden Caltech Thomas F. Rosenbaum - Ketua Presiden dan Profesor Fizik Sonja dan William Davidow - dalam satu kenyataan akhbar Caltech baru-baru ini:
"Saya gembira dan berbesar hati mengucapkan tahniah kepada Kip dan Barry, serta Rai Weiss dari MIT, atas anugerah Hadiah Nobel Fizik 2017 pagi ini. Pemerhatian langsung gelombang graviti pertama oleh LIGO adalah demonstrasi luar biasa mengenai visi dan kegigihan saintifik. Melalui empat dekad pengembangan instrumen yang sangat sensitif — mendorong kemampuan imaginasi kita - kita kini dapat melihat proses kosmik yang sebelumnya tidak dapat dikesan. Ini benar-benar permulaan era baru dalam astrofizik. "
Pencapaian ini semakin mengesankan memandangkan Albert Einstein, yang pertama kali meramalkan keberadaan mereka, percaya gelombang graviti akan terlalu lemah untuk dipelajari. Namun, pada tahun 1960-an, kemajuan teknologi laser dan pandangan baru mengenai kemungkinan sumber astrofizik menyebabkan para saintis menyimpulkan bahawa gelombang ini sebenarnya dapat dikesan.
Pengesan gelombang graviti pertama dibina oleh Joseph Weber, seorang astrofizik dari University of Maryland. Alat pengesannya, yang dibina pada tahun 1960-an, terdiri daripada silinder aluminium besar yang akan didorong untuk bergetar dengan melewati gelombang graviti. Percubaan lain diikuti, tetapi semuanya terbukti tidak berjaya; mendorong peralihan ke arah jenis pengesan baru yang melibatkan interferometri.
Salah satu instrumen tersebut dikembangkan oleh Weiss di MIT, yang bergantung pada teknik yang dikenali sebagai interferometri laser. Dalam instrumen semacam ini, gelombang gravitasi diukur dengan menggunakan cermin jarak dan pemisah yang luas yang memantulkan laser pada jarak jauh. Apabila gelombang graviti menyebabkan ruang meregangkan dan memerah dengan jumlah yang sangat kecil, ia menyebabkan cahaya yang dipantulkan di dalam pengesan berpindah sedikit.
Pada masa yang sama, Thorne - bersama dengan pelajar dan postdocs di Caltech - mula berusaha untuk memperbaiki teori gelombang graviti. Ini termasuk anggaran baru mengenai kekuatan dan kekerapan gelombang yang dihasilkan oleh objek seperti lubang hitam, bintang neutron dan supernova. Ini memuncak pada makalah tahun 1972 yang diterbitkan bersama Throne dengan muridnya, Bill Press, yang merangkum visi mereka tentang bagaimana gelombang graviti dapat dipelajari.
Pada tahun yang sama, Weiss juga menerbitkan analisis terperinci mengenai interferometer dan potensi mereka untuk penyelidikan astrofizik. Dalam makalah ini, dia menyatakan bahawa operasi berskala lebih besar - berukuran beberapa km atau lebih - mungkin memiliki tembakan untuk mengesan gelombang graviti. Dia juga mengenal pasti cabaran utama untuk mengesan (seperti getaran dari Bumi) dan mencadangkan kemungkinan penyelesaian untuk mengatasinya.
Pada tahun 1975, Weiss mengundang Thorne untuk bercakap dalam mesyuarat jawatankuasa NASA di Washington, D.C., dan keduanya menghabiskan semalaman untuk bercakap mengenai eksperimen graviti. Hasil perbualan mereka, Thorne kembali ke Calteh dan mencadangkan untuk mewujudkan kumpulan graviti eksperimen, yang akan berfungsi pada interferometer selari dengan penyelidik di MIT, University of Glasgow dan University of Garching (di mana eksperimen serupa sedang dilakukan).
Pembangunan pada interferometer pertama bermula tidak lama kemudian di Caltech, yang membawa kepada pembuatan prototaip 40 meter (130 kaki) untuk menguji teori Weiss mengenai gelombang graviti. Pada tahun 1984, semua kerja yang dijalankan oleh institusi masing-masing berkumpul. Caltech dan MIT, dengan sokongan National Science Foundation (NSF) membentuk kolaborasi LIGO dan mula mengerjakan dua interferometernya di Hanford dan Livingston.
Pembinaan LIGO merupakan cabaran besar, baik secara logistik dan teknikal. Walau bagaimanapun, banyak perkara dibantu ketika Barry Barish (ketika itu ahli fizik zarah Caltech) menjadi Penyiasat Utama (PI) LIGO pada tahun 1994. Setelah sedekad percubaan terhenti, dia juga dijadikan pengarah LIGO dan meletakkan pembinaannya kembali ke landasan . Dia juga mengembangkan pasukan penyelidik dan mengembangkan rancangan kerja terperinci untuk NSF.
Seperti yang ditunjukkan oleh Barish, kerja yang dilakukannya dengan LIGO adalah mimpi yang menjadi kenyataan:
"Saya selalu ingin menjadi ahli fizik eksperimen dan tertarik dengan idea menggunakan kemajuan teknologi yang berterusan untuk melakukan eksperimen sains asas yang tidak dapat dilakukan sebaliknya. LIGO adalah contoh utama perkara yang tidak dapat dilakukan sebelum ini. Walaupun merupakan projek berskala besar, cabarannya sangat berbeza dengan cara kita membina jambatan atau melaksanakan projek kejuruteraan besar yang lain. Bagi LIGO, cabarannya adalah dan bagaimana mengembangkan dan merancang instrumen canggih secara besar-besaran, bahkan ketika projek ini berkembang. "
Menjelang tahun 1999, pembinaan telah berakhir di observatorium LIGO dan pada tahun 2002, LIGO mula memperoleh data. Pada tahun 2008, usaha bermula untuk memperbaiki alat pengesan asalnya, yang dikenali sebagai Projek LIGO Lanjutan. Proses menukar prototaip 40-m menjadi interferometer 4 km (2.5 mi) LIGO adalah usaha besar-besaran, dan oleh itu perlu dipecah menjadi beberapa langkah.
Langkah pertama berlaku antara tahun 2002 dan 2010, ketika pasukan membuat dan menguji interferometer awal. Walaupun ini tidak menghasilkan pengesanan, ini menunjukkan konsep asas pemerhati dan menyelesaikan banyak halangan teknikal. Fasa seterusnya - dipanggil Advanced LIGO, yang berlangsung antara 2010 dan 2015 - membolehkan pengesan mencapai tahap kepekaan baru.
Peningkatan ini, yang juga berlaku di bawah kepemimpinan Barish, memungkinkan pengembangan beberapa teknologi utama yang akhirnya memungkinkan pengesanan pertama. Seperti yang dijelaskan oleh Barish:
"Pada fasa awal LIGO, untuk mengasingkan alat pengesan dari gerakan bumi, kami menggunakan sistem suspensi yang terdiri dari cermin uji massa yang digantung oleh wayar piano dan menggunakan set penyerap kejutan pasif multi-tahap, serupa dengan yang di dalam kereta anda. Kami tahu ini mungkin tidak cukup baik untuk mengesan gelombang graviti, jadi kami, di Laboratorium LIGO, mengembangkan program bercita-cita tinggi untuk LIGO Lanjutan yang menggabungkan sistem penggantungan baru untuk menstabilkan cermin dan sistem pengasingan seismik yang aktif untuk merasakan dan membetulkannya. gerakan tanah. "
Memandangkan betapa pentingnya Thorne, Weiss dan Barish dalam kajian gelombang graviti, ketiga-tiganya diakui sebagai penerima Hadiah Nobel Fizik tahun ini. Kedua-dua Thorne dan Barish diberitahu bahawa mereka telah menang pada awal pagi pada 3 Oktober 2017. Sebagai tindak balas kepada berita itu, kedua-dua saintis itu pasti mengakui usaha berterusan LIGO, pasukan sains yang telah menyumbang kepadanya, dan usaha Caltech dan MIT dalam mewujudkan dan menyelenggara pemerhatian.
"Hadiah itu betul-betul milik ratusan saintis dan jurutera LIGO yang membina dan menyempurnakan interferometer gelombang graviti kompleks kami, dan ratusan saintis LIGO dan Virgo yang menemui isyarat gelombang graviti dalam data bising LIGO dan mengekstrak maklumat gelombang, "Kata Thorne. "Sangat disayangkan bahawa, karena undang-undang Yayasan Nobel, hadiah harus diberikan kepada tidak lebih dari tiga orang, ketika penemuan luar biasa kami adalah karya lebih dari seribu."
"Saya dengan rendah hati dan berbesar hati menerima penghargaan ini," kata Barish. "Pengesanan gelombang gravitasi benar-benar kejayaan fizik eksperimen berskala besar moden. Selama beberapa dekad, pasukan kami di Caltech dan MIT mengembangkan LIGO menjadi alat yang sangat sensitif yang membuat penemuan itu. Ketika isyarat mencapai LIGO dari perlanggaran dua lubang hitam bintang yang berlaku 1.3 bilion tahun yang lalu, Kolaborasi Ilmiah LIGO yang mempunyai kekuatan 1000 orang dapat mengenal pasti acara calon dalam beberapa minit dan melakukan analisis terperinci yang secara meyakinkan menunjukkan bahawa gelombang graviti ada. "
Ke depan, juga jelas bahawa Advanved LIGO, Advanced Virgo dan pemerhatian gelombang graviti lain di seluruh dunia baru sahaja bermula. Selain mengesan empat peristiwa terpisah, kajian terbaru menunjukkan bahawa pengesanan gelombang gravitasi juga dapat membuka perbatasan baru untuk penyelidikan astronomi dan kosmologi.
Sebagai contoh, satu kajian baru-baru ini oleh sepasukan penyelidik dari Monash Center for Astrophysics mengusulkan konsep teori yang dikenali sebagai 'memori yatim'. Menurut kajian mereka, gelombang gravitasi tidak hanya menyebabkan gelombang dalam ruang-waktu, tetapi meninggalkan riak kekal dalam strukturnya. Dengan mengkaji "anak yatim" dari peristiwa masa lalu, gelombang graviti dapat dikaji baik ketika mereka sampai di Bumi dan lama setelah berlalu.
Di samping itu, kajian dikeluarkan pada bulan Ogos oleh pasukan ahli astronomi dari Pusat Kosmologi di University of California Irvine yang menunjukkan bahawa penggabungan lubang hitam jauh lebih biasa daripada yang kita fikirkan. Setelah melakukan tinjauan terhadap kosmos yang bertujuan untuk mengira dan mengkategorikan lubang hitam, pasukan UCI memutuskan bahawa mungkin terdapat sebanyak 100 juta lubang hitam di galaksi.
Satu lagi kajian baru-baru ini menunjukkan bahawa rangkaian pengesan gelombang graviti LIGO, GEO 600, dan Virgo juga dapat digunakan untuk mengesan gelombang graviti yang dibuat oleh supernova. Dengan mengesan gelombang yang dibuat oleh bintang yang meletup menjelang akhir jangka hayatnya, para astronom dapat melihat di dalam hati bintang-bintang yang runtuh untuk pertama kalinya dan memeriksa mekanisme pembentukan lubang hitam.
Hadiah Nobel dalam Fizik adalah salah satu penghormatan tertinggi yang dapat diberikan kepada seorang saintis. Tetapi lebih besar dari itu adalah pengetahuan bahawa perkara-perkara hebat dihasilkan dari karya seseorang. Beberapa dekad setelah Thorne, Weiss dan Barish mula mengusulkan kajian gelombang graviti dan berusaha ke arah penciptaan alat pengesan, para saintis dari seluruh dunia membuat penemuan mendalam yang merevolusikan cara kita memikirkan Alam Semesta.
Dan seperti yang pasti akan disaksikan oleh para saintis ini, apa yang telah kita lihat sejauh ini hanyalah puncak gunung es. Seseorang dapat membayangkan bahawa di suatu tempat, Einstein juga bersinar bangga. Seperti penyelidikan lain yang berkaitan dengan teorinya mengenai Relativitas Umum, kajian gelombang gravitasi menunjukkan bahawa walaupun setelah satu abad, ramalannya masih terus berjalan!
Dan pastikan untuk melihat video Persidangan Akhbar Caltech ini di mana Barish dan Thorn diberi penghormatan atas pencapaian mereka:
