Deru gelombang gravitasi dari penggabungan lubang hitam supermasif telah terdengar di alam semesta untuk pertama kalinya

Setelah 15 tahun mengumpulkan data dalam percobaan seukuran galaksi, para ilmuwan telah “mendengar” paduan suara gelombang gravitasi yang terus-menerus beriak melalui alam semesta untuk pertama kalinya – dan itu lebih keras dari yang diperkirakan.

Penemuan terobosan dibuat oleh para ilmuwan dengan Observatorium Gelombang Gravitasi Nanohertz Amerika Utara (NANOGrav) yang memantau bintang-bintang yang disebut pulsar yang bertindak sebagai metronom langit. Gelombang gravitasi yang baru ditemukan—riak dalam jalinan ruang-waktu—adalah yang paling kuat yang pernah diukur: mereka membawa energi hampir satu juta kali lebih banyak daripada gelombang gravitasi yang terdeteksi tunggal dari penggabungan lubang hitam dan bintang neutron. Melalui eksperimen seperti LIGO dan Virgo.

Ilmuwan nanograf melaporkan dalam serangkaian makalah baru yang muncul hari ini di Nanograf Surat Jurnal Astrofisika.

kata ilmuwan NANOGrav Chiara Mingarelli, yang mengerjakan temuan baru saat dia menjadi asisten ilmuwan riset di Center for Computational Astrophysics (CCA) di New York City. “Ini adalah bukti pertama adanya latar belakang gelombang gravitasi. Kami telah membuka jendela observasi baru di alam semesta.”

Keberadaan dan pembentukan gelombang gravitasi latar belakang—teoretis lama tetapi belum pernah terdengar—menawarkan harta karun berupa wawasan baru ke dalam pertanyaan lama, mulai dari nasib sepasang lubang hitam supermasif hingga frekuensi penggabungan galaksi.

Untuk saat ini, NANOGrav hanya dapat mengukur latar belakang gelombang gravitasi keseluruhan daripada radiasi dari masing-masing “penyanyi”. Tetapi bahkan ini membawa kejutan.

“Latar belakang gelombang gravitasi sekitar dua kali lebih tinggi dari yang saya perkirakan,” kata Mingarelli, sekarang menjadi asisten profesor di Universitas Yale. “Ini benar-benar di ujung yang lebih tinggi dari apa yang dapat dibuat oleh model kami hanya dari lubang hitam supermasif.”

Ukuran yang memekakkan telinga mungkin dihasilkan dari keterbatasan eksperimental atau lubang hitam supermasif yang lebih berat dan lebih banyak. Tapi ada juga kemungkinan bahwa sesuatu yang lain menghasilkan gelombang gravitasi yang kuat, kata Mingarelli, seperti mekanisme yang diprediksi oleh teori string atau penjelasan alternatif untuk kelahiran alam semesta. “Apa selanjutnya adalah semua,” katanya. “Ini hanyalah permulaan.”

Pengalaman seluas galaksi

Sampai ke titik ini telah menjadi tantangan bagi tim NANOGrav selama bertahun-tahun. Gelombang gravitasi yang mereka tangkap tidak seperti apa pun yang diukur sebelumnya. Berbeda dengan gelombang frekuensi tinggi yang terdeteksi oleh instrumen berbasis darat seperti LIGO dan Virgo, latar belakang gelombang gravitasi terdiri dari gelombang frekuensi ultra tinggi. Naik turunnya gelombang bisa memakan waktu bertahun-tahun atau bahkan puluhan tahun. Karena gelombang gravitasi bergerak dengan kecepatan cahaya, panjang gelombang individu bisa puluhan tahun cahaya.

Tidak ada eksperimen di Bumi yang dapat mendeteksi gelombang sebesar itu, sehingga tim NANOGrav melihat ke bintang-bintang. Mereka mengamati dengan cermat pulsar, sisa-sisa bintang masif yang sangat padat yang telah menjadi supernova. Pulsar bertindak seperti suar bintang, menembakkan gelombang radio dari kutub magnetnya. Karena pulsar berputar sangat cepat (kadang-kadang ratusan kali per detik), pancaran itu menyapu langit, muncul dari lokasi kita di Bumi sebagai gelombang gelombang radio yang berirama.

Pulsa menyentuh tanah seperti metronom waktu yang sempurna. Waktunya sangat tepat sehingga ketika Jocelyn Bell mengukur gelombang radio pertama pada tahun 1967, para astronom mengira itu mungkin sinyal dari peradaban alien.

Saat gelombang gravitasi melintas di antara kita dan pulsar, gelombang itu membuang pengaturan waktu gelombang radio. Ini karena, seperti prediksi Albert Einstein, gelombang gravitasi meregang dan memampatkan ruang saat mereka beriak melalui alam semesta, mengubah jarak yang harus ditempuh gelombang radio.

Selama 15 tahun, ilmuwan NANOGrav dari Amerika Serikat dan Kanada telah mengatur waktu pulsa gelombang radio dari puluhan pulsar milidetik di galaksi kita menggunakan Observatorium Arecibo di Puerto Rico, Teleskop Green Bank di Virginia Barat, dan Very Large Array di New Mexico. Temuan baru ini merupakan hasil analisis rinci dari sekelompok 67 pulsar.

“Pulsar sebenarnya adalah sumber radio yang sangat redup, jadi kita membutuhkan ribuan jam setahun di teleskop terbesar di dunia untuk melakukan percobaan ini,” kata Maura McLaughlin dari West Virginia University, salah satu direktur Pusat Nanograf Perbatasan Fisika. “Temuan ini dimungkinkan oleh komitmen berkelanjutan National Science Foundation (NSF) terhadap observatorium radio yang sangat sensitif ini.”

Deteksi latar belakang

Pada tahun 2020, dengan data lebih dari 12 tahun, para ilmuwan NANOGrav mulai melihat petunjuk tentang sinyal, “dengung” tambahan yang umum untuk perilaku pengaturan waktu semua pulsar dalam susunan. Sekarang, setelah tiga tahun pengamatan tambahan, mereka telah mengumpulkan bukti nyata keberadaan latar belakang gelombang gravitasi.

“Sekarang kami memiliki bukti gelombang gravitasi, langkah selanjutnya adalah menggunakan pengamatan kami untuk mempelajari sumber yang menghasilkan dengungan ini,” kata Sarah Vigeland dari University of Wisconsin-Milwaukee, ketua Kelompok Kerja Deteksi NANOGrav.

Sumber latar belakang gelombang gravitasi yang paling mungkin adalah sepasang lubang hitam supermasif yang ditangkap dalam spiral kematian. Lubang hitam ini sangat masif, mengandung miliaran massa matahari. Hampir semua galaksi, termasuk Bima Sakti kita, memiliki setidaknya satu galaksi raksasa pada intinya. Saat dua galaksi bergabung, lubang hitam supermasif dapat bertemu dan mulai mengorbit satu sama lain. Seiring waktu, orbitnya menyempit saat gas dan bintang melintas di antara lubang hitam dan mencuri energi.

Akhirnya, lubang hitam supermasif semakin dekat sehingga pencurian energi berhenti. Beberapa studi teoretis berpendapat selama beberapa dekade bahwa lubang hitam kemudian bertabrakan tanpa batas waktu ketika dipisahkan oleh jarak parsec (sekitar tiga tahun cahaya). Teori proximity-but-not-cerutu ini kemudian dikenal sebagai masalah parsec terakhir. Dalam skenario ini, hanya kombinasi langka dari tiga atau lebih lubang hitam supermasif yang mengarah pada penggabungan.

Namun, sepasang lubang hitam supermasif dapat memiliki trik di lengan baju mereka. Mereka dapat memancarkan energi seperti gelombang gravitasi yang kuat saat mereka mengorbit satu sama lain hingga akhirnya bertabrakan dalam kesimpulan bencana. “Begitu dua lubang hitam cukup dekat untuk dilihat oleh susunan waktu pulsar, tidak ada yang dapat menghentikan mereka untuk bergabung hanya dalam beberapa juta tahun,” kata Luke Kelley dari University of California, Berkeley, pimpinan kelompok astrofisika NANOGrav.

Keberadaan latar belakang gelombang gravitasi yang ditemukan oleh NANOGrav tampaknya mendukung prediksi ini, yang dapat menghentikan masalah parsec baru-baru ini.

Karena sepasang lubang hitam supermasif terbentuk oleh penggabungan galaksi, kelimpahan gelombang gravitasinya akan membantu kosmolog memperkirakan seberapa sering galaksi bertabrakan sepanjang sejarah alam semesta. Mingarelli, peneliti postdoctoral Deborah C. Judd dari CCA dan University of Connecticut dan rekannya mempelajari intensitas latar belakang gelombang gravitasi. Mereka memperkirakan bahwa ratusan ribu atau mungkin satu juta atau lebih biner lubang hitam supermasif menghuni alam semesta.

sumber alternatif

Tidak semua gelombang gravitasi yang terdeteksi oleh NANOGrav harus dari sepasang lubang hitam supermasif. Proposal teoretis lainnya juga memprediksi gelombang dalam rentang frekuensi yang sangat rendah. Teori string memprediksi, misalnya, bahwa kesalahan satu dimensi yang disebut string kosmik mungkin telah terbentuk di awal alam semesta. String ini dapat menghilangkan energi dengan memancarkan gelombang gravitasi. Saran lain adalah bahwa alam semesta dimulai bukan dengan Big Bang melainkan dengan Big Bounce, di mana alam semesta negatif runtuh dengan sendirinya sebelum mengembang ke luar. Dalam kisah asal usul seperti itu, gelombang gravitasi dari kecelakaan itu masih akan bergejolak melalui ruang-waktu.

Ada juga kemungkinan bahwa pulsar bukanlah detektor gelombang gravitasi yang sempurna seperti yang dipikirkan para ilmuwan, dan sebagai gantinya mereka mungkin memiliki beberapa asimetri yang tidak diketahui yang membelokkan hasil NANOGrav. “Kita tidak bisa berjalan ke pulsar dan menyalakan dan mematikannya lagi untuk melihat apakah ada yang salah,” kata Mingarelli.

Tim NANOGrav berharap untuk mengeksplorasi semua kemungkinan kontributor latar belakang gelombang gravitasi yang baru ditemukan saat mereka terus memantau pulsar. Grup tersebut berencana untuk memecah latar belakang berdasarkan frekuensi gelombang dan asalnya di langit.

upaya internasional

Untungnya, tim NANOGrav tidak sendirian dalam pencariannya. Beberapa makalah yang diterbitkan hari ini oleh kolaborasi menggunakan teleskop di Eropa, India, Cina, dan Australia menunjukkan sinyal latar belakang gelombang gravitasi yang sama dalam data mereka. Melalui konsorsium Matriks Waktu Pulsar Internasional, masing-masing kelompok mengumpulkan data mereka untuk mengkarakterisasi sinyal dengan lebih baik dan mengidentifikasi sumbernya.

“Data gabungan kami akan menjadi lebih kuat,” kata Stephen Taylor dari Vanderbilt University, yang ikut memimpin penelitian baru dan saat ini memimpin kolaborasi NANOGrav. “Kami sangat senang menemukan rahasia yang akan mereka ungkapkan tentang alam semesta kita.”