Dua sinyal gelombang gravitasi menjelaskan mengapa lubang hitam yang lebih berat dari pasangan sebab akibat tidak berasal dari ledakan bintang
- Sinyal yang tidak biasa: Dua peristiwa gelombang gravitasi yang luar biasa, yang juga dapat ditelusuri kembali ke dua pasang lubang hitam yang bergabung, menonjol dari data yang diamati bersama oleh detektor LIGO, Virgo, dan KAGRA pada musim gugur tahun 2024.
- Sifat lubang hitam yang tidak biasa: Lubang hitam yang lebih berat di masing-masing sistem lubang hitam ganda berputar terlalu cepat dan sumbu rotasinya miring terlalu kuat terhadap orbit timbal balik, seperti yang diharapkan jika lubang hitam terbentuk dari bintang yang meledak.
- Penggabungan lubang hitam yang lebih ringan: Temuan ini menunjukkan bahwa lubang hitam yang lebih berat tidak terbentuk dari ledakan bintang, melainkan dari penggabungan dua lubang hitam yang lebih ringan pada generasi sebelumnya.
- Lubang hitam yang berputar berubah bentuk: Berkat analisis ilmuwan terhadap gelombang gravitasi, untuk pertama kalinya telah dikonfirmasi bahwa lubang hitam berubah bentuk ketika mereka berputar cepat di sekitar porosnya – sebuah prediksi relativitas umum.
Sinyal yang tidak biasa
Banyak lubang hitam biner dulunya merupakan sistem bintang biner. Di sana, dua bintang, masing-masing lebih besar dari Matahari kita, saling mengorbit, satu demi satu meledak sebagai supernova, dan runtuh menjadi lubang hitam. Kisah asal usul ini biasanya menghasilkan lubang hitam yang berputar perlahan dengan ekuatornya sejajar dengan bidang orbit sistem biner.
-Dua sinyal baru ini berasal dari penggabungan lubang hitam biner, tidak seperti yang biasanya kita harapkan ditemukan dan yang telah kita amati sejauh ini,- kata Alessandra Buonanno, direktur Institut Max Planck untuk Fisika Gravitasi (Albert Einstein Institute; AEI) di Potsdam. -Keduanya berisi lubang hitam yang berputar sangat cepat di sekitar sumbu yang berorientasi tidak biasa, menunjukkan adanya populasi lubang hitam baru.-
Karena kedua pasangan tersebut terdiri dari dua lubang hitam yang tidak sama besarnya, para peneliti dapat menentukan seberapa cepat setiap lubang hitam yang lebih berat berputar dan ke arah mana sumbu rotasinya mengarah. Hasil baru ini dicapai dengan menggunakan model gelombang canggih, termasuk tiga model yang dikembangkan di AEI. Ini adalah resep matematika untuk menghitung gelombang gravitasi yang dipancarkan dari biner. Model canggih ini mengasumsikan orbit melingkar, namun dapat menangani orientasi umum sumbu rotasi lubang hitam.
Mengamati penggabungan lubang hitam di dekatnya dan kembarannya yang berbeda
Sinyal kembar pertama, GW241011, diamati pada 11 Oktober 2024 oleh detektor LIGO di Hanford dan detektor Virgo. Detektor LIGO Livingston sedang menjalani pemeliharaan sementara dan tidak mengambil data pengukuran ilmiah pada saat itu.
Penggabungan lubang hitam biner yang menyebabkan sinyal gelombang gravitasi terjadi pada jarak yang relatif dekat. Dengan jarak yang hanya sekitar 700 juta tahun cahaya, ini kemungkinan merupakan peristiwa terdekat yang pernah diamati. Karena kejadiannya berdekatan, maka terdeteksi dengan sangat jelas. Hanya dua sinyal lain yang teramati hingga saat ini yang -lebih keras-: GW230814 dan GW250114 yang baru diterbitkan.
Gelombang gravitasi yang teramati dengan jelas mengkodekan informasi tentang masing-masing lubang hitam. Analisis data LVK mengungkapkan bahwa lubang hitam yang lebih besar memiliki berat sekitar 20 kali massa Matahari kita, sedangkan lubang hitam yang lebih kecil memiliki berat sekitar 6 kali massa Matahari. Distribusi massa yang tidak merata inilah yang menjadikan pasangan ini istimewa, karena sebagian besar biner terdiri dari lubang hitam yang bermassa hampir sama.
Peristiwa kedua, GW241110, terdeteksi oleh instrumen LIGO dan Virgo pada 10 November 2024, hampir tepat satu bulan setelah peristiwa pertama. Ini berasal dari penggabungan lubang hitam yang tiga kali lebih jauh dari sinyal bulan Oktober. Datang dari jarak sekitar 2,4 miliar tahun cahaya, sinyalnya tidak begitu jelas. Namun, sumbernya adalah sepasang lubang hitam serupa dengan massa yang tidak sama yaitu 17 dan 8 kali massa Matahari.
Berbeda dengan anak kembar
-Pada pandangan pertama, kedua pasang lubang hitam ini hampir terlihat seperti dua kacang polong. Namun pengamatan lebih dekat mengungkapkan beberapa perbedaan mencolok, misalnya dalam cara mereka berputar,- kata Frank Ohme, pemimpin kelompok penelitian independen Max Planck di AEI di Hannover.
Pada sepasang lubang hitam yang mengeluarkan GW241011, tim LVK menemukan bahwa lubang hitam yang lebih berat adalah salah satu lubang hitam yang berotasi paling cepat yang pernah diamati hingga saat ini, berputar setidaknya hampir 70% dari nilai maksimum yang mungkin. Terlebih lagi, ia berputar pada sumbu yang miring 20 hingga 40 derajat dari sumbu di mana kedua lubang hitam mengorbit.
-Dengan kata lain, ekuator lubang hitam yang lebih berat dalam sistem biner yang menghasilkan GW241011 tidak terletak pada bidang yang sama dengan orbit kedua lubang hitam tersebut,- kata Karsten Danzmann, direktur AEI di Hannover. -Ini mirip dengan kemiringan sumbu rotasi Bumi atau Mars saat mengorbit Matahari, tetapi agak tidak terduga untuk lubang hitam.-
Lubang hitam yang lebih berat dalam sistem biner yang menyebabkan GW241110, sekali lagi, sangat berbeda. Sumbu putarannya dimiringkan setidaknya 90 derajat, dan mungkin hingga 180 derajat, menjauhi sumbu di mana kedua lubang hitam tersebut mengorbit. Artinya, sumbu putarannya terletak pada bidang orbit sistem biner, atau bahkan mengarah ke bawah. Hal ini mirip dengan sumbu rotasi planet Uranus dan Venus di tata surya kita.
Bagaimana biner yang tidak biasa ini terbentuk?
Jika biner terbentuk dari sistem bintang biner, lubang hitam akan berputar perlahan dan ekuatornya harus sejajar dengan bidang orbit biner. Meskipun ada beberapa mekanisme yang diketahui dapat memiringkan sumbu rotasi lubang hitam tepat sebelum atau setelah terbentuk, semuanya gagal menjelaskan mengapa lubang hitam ini berputar begitu cepat.
Penjelasan alami untuk sumbu rotasi cepat dan miring dari lubang hitam yang lebih berat adalah bahwa keduanya merupakan hasil penggabungan lubang hitam yang kurang masif sebelumnya. Lubang hitam generasi kedua ini diperkirakan berputar lebih cepat dibandingkan lubang hitam generasi pertama. Selain itu, karena mereka tidak terbentuk dalam sistem bintang biner yang sama, sumbu rotasinya dapat mengarah ke segala arah. Dan yang terakhir, lubang hitam generasi kedua tentu saja harus lebih berat. Lubang hitam yang lebih masif dalam penggabungan yang diamati sebagai GW241011 dan GW241110 memenuhi ketiga kriteria tersebut dan mungkin terbentuk dengan cara ini. Tabrakan sebelumnya kemungkinan besar terjadi di lingkungan bintang yang padat, seperti gugus bintang yang padat. Di sana, lubang hitam generasi kedua bisa saja bertemu dengan lubang hitam lain untuk mengorbit dan bergabung dengan lubang hitam tersebut di kemudian hari, sehingga menyebabkan sinyal gelombang gravitasi teramati sekarang.
Petunjuk tambahan tentang asal usul biner dapat dilihat dari bentuk orbitnya. -Pasangan lubang hitam yang kemudian ditemukan satu sama lain mungkin memiliki orbit yang sedikit lebih elips dibandingkan pasangan lubang hitam yang terbentuk dari bintang biner yang sama,- jelas Lorenzo Pompili, mantan kandidat PhD di AEI di Potsdam, yang menganalisis sinyal dengan model bentuk gelombang elips. -Kami telah mencarinya dengan cermat, tetapi tidak menemukan tanda-tanda orbit elips.-
Para peneliti di AEI di Potsdam telah mengembangkan model bentuk gelombang yang akurat dan efisien untuk biner dengan orbit elips. -Kami sekarang telah menggunakan model baru kami untuk menganalisis GW241011 dan GW241110,- kata Aldo Javier Gamboa Castillo, kandidat PhD di AEI Potsdam, yang mengembangkan model bentuk gelombang elips. -Memiliki model bentuk gelombang seperti itu sangat penting karena mengabaikan bentuk orbit biner dapat mengakibatkan kesalahan sistematis, dan memasukkannya dapat membantu dalam mengidentifikasi asal biner.-
Menyelidiki sifat lubang hitam
Karena GW241011 terdeteksi dengan sangat jelas, maka dapat dibandingkan dengan prediksi teori relativitas umum Einstein dan solusi Roy Kerr untuk lubang hitam berotasi. Rotasi cepat lubang hitam sedikit merusak bentuknya, meninggalkan ciri khas pada gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Dengan menganalisis GW241011, tim LVK menemukan kesesuaian yang sangat baik dengan solusi Kerr dan memverifikasi prediksi Einstein dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya. -GW241011 adalah sinyal gelombang gravitasi pertama yang memungkinkan kami memastikan bahwa lubang hitam berubah bentuk ketika mereka berputar dengan cepat,- kata Elise Sänger, kandidat PhD di AEI di Potsdam, yang melakukan pengujian solusi Kerr. -Kami telah mengamati deformasi lubang hitam yang lebih berat karena rotasinya dengan sangat jelas dan menggunakannya untuk melakukan pengujian ketat terhadap sifat lubang hitam.-
Karena massa masing-masing lubang hitam berbeda secara signifikan, sinyal gelombang gravitasi mengandung -hum harmonik yang lebih tinggi – mirip dengan nada tambahan alat musik, yang hanya terlihat untuk ketiga kalinya di GW241011. Salah satu harmonik ini diamati dengan sangat jelas dan menegaskan prediksi teori relativitas umum Einstein.
Mencari partikel elementer yang tidak diketahui
Lubang hitam yang berotasi cepat seperti yang diamati sekarang memiliki penerapan lain – dalam fisika partikel: Para ilmuwan dapat menggunakannya untuk menguji apakah partikel elementer ringan tertentu yang belum diketahui ada dan seberapa masifnya. Partikel-partikel ini, yang disebut boson ultralight, diprediksi oleh beberapa teori yang melampaui Model Standar fisika partikel, yang menjelaskan dan mengklasifikasikan semua partikel elementer yang diketahui. Jika boson ultralight ada, mereka dapat mengekstraksi energi rotasi dari lubang hitam. Berapa banyak energi yang diekstraksi dan seberapa lambat rotasi lubang hitam seiring waktu, bergantung pada massa partikel-partikel ini, yang masih belum diketahui. Pengamatan bahwa lubang hitam masif dalam sistem biner yang memancarkan GW241011 terus berputar dengan cepat bahkan jutaan atau miliaran tahun setelah terbentuknya mengesampingkan berbagai massa boson ultralight.
Saat ini masih belum jelas apakah kembaran GW241011 dan GW241110 merupakan anggota umum dari populasi lubang hitam di Alam Semesta kita atau merupakan spesimen pertama dari subkelompok lubang hitam baru. Sejauh ini, hanya bagian pertama dari observasi gabungan keempat LVK yang telah dianalisis dan dipublikasikan sepenuhnya. Mungkin akan ada lebih banyak kejutan yang akan datang.
Informasi Latar Belakang
Kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA:
LIGO didanai oleh NSF, dan dioperasikan oleh Caltech dan MIT, yang menyusun dan membangun proyek tersebut. Dukungan finansial untuk proyek Advanced LIGO dipimpin oleh NSF dengan Jerman (Max Planck Society), Inggris (Dewan Fasilitas Sains dan Teknologi) dan Australia (Dewan Riset Australia) memberikan komitmen dan kontribusi yang signifikan terhadap proyek tersebut. Lebih dari 1.600 ilmuwan dari seluruh dunia berpartisipasi dalam upaya ini melalui Kolaborasi Ilmiah LIGO, yang mencakup Kolaborasi GEO. Institusi anggota tambahan tercantum di https://my.ligo.org/census.php.
Kolaborasi Virgo saat ini terdiri dari sekitar 880 anggota dari 152 institusi di 17 negara berbeda (terutama di Eropa). Observatorium Gravitasi Eropa (EGO) menampung detektor Virgo dekat Pisa di Italia, dan didanai oleh Center National de la Recherche Scientifique (CNRS) di Perancis, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Italia, dan Institut Nasional untuk Fisika Subatomik (Nikhef) di Belanda. Informasi lebih lanjut tersedia di situs web Virgo di https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA adalah interferometer laser dengan panjang lengan 3 km di Kamioka, Gifu, Jepang. Lembaga yang menjadi tuan rumah adalah Institute for Cosmic Ray Research (ICRR), Universitas Tokyo, dan proyek ini diselenggarakan bersama oleh National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) dan High Energy Accelerator Research Organization (KEK). Kolaborasi KAGRA terdiri dari lebih dari 400 anggota dari 128 lembaga di 17 negara/wilayah. Informasi KAGRA untuk khalayak umum tersedia di https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/ . Sumber daya untuk peneliti dapat diakses dari http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.
