Seberapa banyak yang kita ketahui tentang apa saja yang ada di alam semesta?
Mari kita ambil contoh yang aneh. Jika ada alien yang melintasi galaksi kita dengan teknologi penggerak warp yang sering kita lihat di acara fiksi ilmiah jenis “Star Trek” (Perjalanan Bintang), seperti apa sinyal lewatnya kapal mereka? Yang mengejutkan, penelitian kami menunjukkan bahwa kami memiliki alat untuk menjawab pertanyaan ini, terlepas dari apakah kapal tersebut benar-benar ada.
Teleskop menggunakan cahaya untuk menyelidiki ruang angkasa, dan kini dapat melihat hingga batas yang dapat diamati. Setiap frekuensi baru yang kami jelajahi – mulai dari sinar gamma dan sinar X hingga inframerah dan radio – telah mengajarkan kita sesuatu yang baru dan tidak terduga.
Pada tahun 2015, teleskop jenis baru, sebuah detektor yang disebut LIGO, diaktifkan, tidak mencari gelombang cahaya melainkan gelombang gravitasi, yang merupakan “riak” yang tidak terlihat dalam ruang-waktu. Sekali lagi, alam mengejutkan kita dengan sinyal GW150914 dari sepasang lubang hitam. Masing-masing berukuran sekitar 30 kali massa Matahari kita, dan menyatu dalam tabrakan dahsyat yang berjarak 1,4 miliar tahun cahaya dari Bumi.
Sejak saat itu, gelombang gravitasi telah menjadi alat baru yang penting bagi para ilmuwan untuk menjelajahi dan mempelajari Alam Semesta. Namun kami masih berada di awal eksplorasi. Sinyal apa yang mungkin kita lihat dalam data tersebut, dan bagaimana sinyal tersebut akan mengubah cara kita memandang fisika alam semesta?
Namun, ada pertanyaan praktis yang sering diabaikan: jika memang ada sesuatu di luar sana, bagaimana kita mengenalinya?
Dari fiksi ilmiah hingga sains serius
Anda mungkin pernah melihat warp drive (penggerak lengkung) dalam serial seperti “Star Trek”. Warp drive adalah bentuk hipotetis teknologi yang memampatkan ruang di depan kapal luar angkasa dan memperluasnya di belakang. Meskipun tidak ada yang bisa melaju lebih cepat dari kecepatan cahaya, dengan warp drive kita bisa melewati batas ini, sehingga jaraknya lebih pendek. Jadi, waktu yang dibutuhkan untuk berpindah dari A ke B lebih singkat dibandingkan waktu yang dibutuhkan cahaya pada jalur lain yang tidak dikompresi oleh penggerak warp.
Lompatan dari fiksi ilmiah ke sains nyata dilakukan oleh fisikawan teoretis Miguel Alcubierre pada tahun 1994, ketika ia terinspirasi untuk membuat model penggerak warp menggunakan persamaan Relativitas Umum Einstein.
Teori Relativitas Umum meramalkan adanya hubungan antara kelengkungan ruang-waktu (gravitasi) dan distribusi materi atau energi (“benda”) dalam ruang. Biasanya, kita mulai dengan mengenal “sesuatu”. Misalnya, kita mengetahui bahwa kita mempunyai “gumpalan” materi yang mewakili sebuah planet atau bintang. Kami kemudian memasukkan masalah ini ke dalam persamaan untuk menentukan bagaimana kurva ruangwaktu. Dan bentuk kurvanya memberi tahu kita gravitasi yang akan kita ukur di sekitar objek.
Bisa dibilang inilah gambaran gravitasi klasik Isaac Newton – memberikan hubungan antara massa suatu benda dan gaya gravitasi yang dihasilkannya. Dan Anda benar. Namun konsep kelengkungan ruang-waktu memunculkan fenomena yang jauh lebih kaya daripada gaya sederhana. Hal ini memungkinkan semacam gravitasi tolak yang menyebabkan Alam Semesta kita mengembang, menciptakan pelebaran waktu di sekitar benda-benda masif dan gelombang gravitasi di ruang-waktu, dan – setidaknya secara teori – memungkinkan terjadinya warp drive.
Alcubierre menghadapi masalahnya dari arah yang berlawanan dari biasanya. Dia tahu kelengkungan ruangwaktu seperti apa yang dia inginkan. Itu adalah tipe di mana suatu objek dapat menjelajahi wilayah ruangwaktu yang melengkung. Jadi dia bekerja mundur untuk menentukan jenis konfigurasi materi yang diperlukan untuk menciptakannya. Itu bukanlah solusi alami dari persamaan, tapi sesuatu yang “dibuat sesuai pesanan”. Namun apa yang dia dapatkan tidak sesuai dengan apa yang dia minta. Ia menemukan bahwa ia membutuhkan materi eksotik, sesuatu dengan kepadatan energi negatif, untuk membengkokkan ruang angkasa dengan cara yang benar.
Solusi materi eksotik umumnya dipandang dengan skeptis oleh fisikawan, dan dengan alasan yang bagus. Meskipun, secara matematis, material dapat dideskripsikan berenergi negatif, namun hampir semua yang kita ketahui tampaknya memiliki energi positif. Namun, dalam fisika kuantum, kita mengamati bahwa pelanggaran kecil dan sementara terhadap energi positif dapat terjadi, dan oleh karena itu “tidak ada energi negatif” tidak dapat menjadi hukum yang mutlak dan mendasar.
Dari mesin warp hingga gelombang
Mengingat model ruang-waktu warp drive Alcubierre, kita dapat mulai menjawab pertanyaan awal kita: seperti apa sinyal darinya?
Salah satu landasan pengamatan gelombang gravitasi modern dan salah satu pencapaian terbesarnya adalah kemampuan memprediksi bentuk gelombang secara akurat dari skenario fisik menggunakan alat yang disebut “relativitas numerik”.
Alat ini penting karena dua alasan. Pertama, karena data yang kita peroleh dari detektor masih memiliki banyak “noise”, yang berarti kita sering kali perlu mengetahui kira-kira seperti apa suatu sinyal untuk mengekstraknya dari aliran data. Dan kedua, meskipun sinyalnya sangat kuat sehingga menonjol dibandingkan noise, kita memerlukan model untuk menafsirkannya. Artinya, kita perlu memodelkan berbagai jenis kejadian sehingga kita dapat mencocokkan sinyal dengan jenisnya; jika tidak, kita mungkin tergoda untuk mengabaikannya sebagai kebisingan, atau salah memberi label sebagai penggabungan lubang hitam.
Salah satu masalah dengan ruangwaktu penggerak warp adalah ia tidak memancarkan gelombang gravitasi secara alami kecuali ia mulai atau berhenti. Ide kami adalah mempelajari apa yang akan terjadi ketika warp drive berhenti, terutama jika terjadi kesalahan. Misalkan bidang penahan warp drive runtuh (plot fiksi ilmiah dasar); mungkin akan terjadi pelepasan materi eksotik dan gelombang gravitasi secara eksplosif. Ini adalah sesuatu yang dapat dan telah kita simulasikan menggunakan relativitas numerik.
Apa yang kami temukan adalah runtuhnya gelembung warp drive sebenarnya merupakan peristiwa yang sangat kejam. Sejumlah besar energi yang dibutuhkan untuk membelokkan ruangwaktu dilepaskan sebagai gelombang gravitasi dan gelombang energi materi positif dan negatif. Sayangnya, kemungkinan besar ini akan menjadi akhir dari perjalanan awak kapal, yang akan terkoyak oleh kekuatan pasang surut.
Kecepatan warp, Scotty!
Kami tahu bahwa sinyal gelombang gravitasi akan dipancarkan; setiap pergerakan materi secara tidak teratur menciptakan gelombang jenis ini. Namun kami tidak dapat memprediksi amplitudo dan frekuensinya, serta bagaimana pengaruhnya terhadap ukuran wilayah yang terdeformasi.
Kami terkejut saat mengetahui bahwa, untuk sebuah kapal berukuran 1 km, amplitudo sinyal akan signifikan untuk kejadian serupa di galaksi kita, dan bahkan di luar galaksi kita. Pada jarak 1 megaparsec (3,26 juta tahun cahaya, sedikit lebih jauh dari galaksi Andromeda), sinyalnya serupa dengan sensitivitas detektor gelombang gravitasi kita saat ini. Namun, frekuensi gelombangnya sekitar seribu kali lebih besar dari jangkauan yang kita amati dengannya.
Kita harus jujur dan mengatakan bahwa kita tidak dapat mengklaim bahwa sinyal kita adalah tanda pasti dari warp drive. Kami harus membuat beberapa pilihan spesifik dalam model kami. Dan alien hipotetis kita mungkin telah membuat pilihan berbeda. Namun sebagai bukti prinsip, hal ini menunjukkan bahwa kasus-kasus di luar peristiwa astrofisika standar dapat dimodelkan dan dapat memiliki bentuk dan bentuk berbeda yang dapat kita cari di detektor masa depan.
Pekerjaan kami juga mengingatkan kita bahwa, dibandingkan dengan mempelajari gelombang cahaya, kita masih berada pada tahap Galilea, menggambarkan Alam Semesta dalam rentang frekuensi cahaya tampak yang sempit. Kita masih memiliki seluruh spektrum frekuensi gelombang gravitasi untuk dijelajahi, yang peka terhadap serangkaian fenomena yang terjadi dalam ruang-waktu.
Katy Clough menerima dana dari STFC
Tim Dietrich berafiliasi dengan Institut Max Planck untuk Fisika Gravitasi.
Sebastian Khan tidak berkonsultasi, bekerja dengan, memiliki saham atau menerima dana dari perusahaan atau organisasi mana pun yang akan mendapat manfaat dari publikasi artikel ini dan tidak mengungkapkan hubungan yang relevan di luar peran akademisnya.
