Tabrakan kolosal di luar angkasa mengirim gelombang kejut melalui alam semesta: gelombang gravitasi memecahkan rekor dengan pengamatan baru

Gelombang gravitasi astrofisika mengguncang kain alam semesta saat lubang hitam bertabrakan. Hari ini kami mengukur peristiwa ini dan menggunakannya untuk memahami kosmos. Sekarang para peneliti Universitas Kopenhagen dan kolaborator internasional mereka telah menerbitkan harta karun gelombang gravitasi baru yang dapat menantang pemahaman mendasar kita tentang lubang hitam, gravitasi, dan alam semesta itu sendiri. Di antara mereka sinyal terkuat dan tabrakan terbesar yang pernah direkam.

Selama jutaan demi jutaan tahun, mereka saling mengorbit, diikat oleh gravitasi. Jarak di antara mereka tumbuh lebih pendek sampai, dalam sepersekian detik, mereka bertabrakan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

Ketika benda-benda paling ringkas dan berat yang ada di lubang hitam-hitam, kekuatan yang terlibat sangat besar sehingga mereka riak melalui alam semesta, mengirimkan gelombang yang mendistorsi ruang dan waktu.

“Ini adalah gelombang dalam ruangwaktu itu sendiri seperti riak air-yang melakukan perjalanan dengan kecepatan cahaya. Mereka tidak bergerak melalui ruang; mereka adalah gelombang ruang: peregangan ritmis dan kompresi struktur alam semesta,” kata Jose Maria Ezquiaga dari Niels Boels dari Niels, yang memimpin Niels, yang memimpin Niels, yang memimpin Niels Ligaga, yang memimpin Niels Liggo dari Niels Boels, yang memimpin Niels, yang memimpin Niels, Niels Ligaga, yang memimpin Niels Ligaga, yang memimpin Niels Ligaga, yang memimpin Niels, yang memimpin Niels, Niels, yang memimpin Niels Liggo dari Niels, yang memimpin Niels, yang memimpin Niels, Niels, Pengamatan.

Tepatnya sepuluh tahun yang lalu, prediksi gelombang gravitasi Einstein dikonfirmasi dengan pengukuran pertama. Sekarang, tabrakan lubang hitam yang hampir identik telah memberi peneliti gravitasi peneliti sinyal yang lebih kuat dan lebih jelas dari sebelumnya: pengukuran mengungkapkan dua lubang hitam, masing -masing memiliki sekitar 30 kali massa Matahari.

“Sifat -sifat merger ini adalah jenis yang kita kenal dengan baik dari pengukuran sebelumnya. Apa yang membuat penemuan ini benar -benar luar biasa adalah sinyal yang sangat kuat. Ini membuka kemungkinan yang sama sekali baru untuk menguji pemahaman mendasar kita tentang gravitasi dan sifat lubang hitam,” kata Jose Maria Ezquiaga.

Sudah, pengamatan telah mengkonfirmasi lebih dari 99% kepastian-teori lama oleh fisikawan terkenal Stephen Hawking, yang menyatakan bahwa lubang hitam yang terbentuk dari menggabungkan lubang hitam harus memiliki area yang lebih besar daripada area gabungan nenek moyangnya. Karena gelombang gravitasi memudar dengan cepat setelah merger, sebelumnya sulit untuk mengkonfirmasi teori melalui pengamatan. Tetapi kekuatan dan kejelasan dari sinyal rekaman baru telah memungkinkan.

Gangguan ruangwaktu yang disebabkan oleh gelombang gravitasi sangat kecil. Untuk mendeteksinya, para peneliti harus mengukur perubahan yang 700 triliun kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia.

Alasan sinyal dari GW250114 – nama yang diberikan kepada tabrakan – sangat kuat sebagian besar disebabkan oleh kemajuan dalam peralatan pengukuran yang dibuat oleh kolaborasi LVK. Perkembangan ini berlanjut dan menjanjikan masa depan yang cerah bagi lapangan.

Ketika para peneliti mengukur peristiwa yang telah memancarkan gelombang gravitasi, itu terjadi oleh observatorium di AS, Eropa, dan Asia yang mendeteksi perubahan yang sama dalam waktu yang dibutuhkan laser yang sangat tepat untuk melintasi jarak. Gelombang gravitasi meregangkan ruang dan waktu meninggalkan sinyal dengan melewati detektor dan membuat set laser keluar dari fase – sehingga gelombangnya tidak lagi selaras.

Dengan membandingkan data dari tiga stasiun, lokasi di ruang angkasa dan jarak dapat dihitung.

Saat mengorbit satu sama lain, lubang hitam mengganggu ruangwaktu dengan gelombang gravitasi yang kuat. Di bagian pengukuran ini, para peneliti memiliki banyak data untuk bekerja dan peluang bagus untuk menilai sifat -sifat biner misalnya massa dan area. Setelah merger, sinyal mulai memudar. Ini adalah fase ringdown yang disebut, ketika lubang hitam baru bergetar seperti lonceng yang telah dipukul.

Ini karena sinyal yang luar biasa kuat dan jelas bahwa massa dan area pada fase berikutnya juga dapat dihitung, sehingga mengkonfirmasi teori Hawking.

Pengukuran terkuat vs bentrokan terbesar

Pengukuran pemecahan rekor adalah bagian dari paket besar pengamatan gelombang gravitasi yang sekarang dilepaskan oleh koalisi penelitian. Tidak hanya menggandakan jumlah pengukuran gelombang gravitasi yang tersedia untuk dipelajari, tetapi berkat beberapa pengamatan luar biasa, tetapi juga menandai lompatan yang signifikan untuk lapangan.

Kolaborasi ligo-virgo-kagra mencakup lebih dari 1.000 peneliti dari tiga observatorium gelombang gravitasi di AS, Italia, dan Jepang.

Kolaborasi LVK akan, di tahun-tahun mendatang, meningkatkan detektor mereka dan membangun yang baru di India-Ligo India-yang akan membuatnya lebih mudah untuk menemukan sinyal gelombang gravitasi.

Dalam jangka panjang, penjelajah kosmik direncanakan dengan lengan sepanjang 40 km, dan teleskop Einstein Eropa dengan lebih dari 10 km fasilitas bawah tanah. Ini akan dapat mendeteksi merger lubang hitam paling awal dan memberikan wawasan tentang asal usul alam semesta.

GW250114 bukan satu -satunya catatan di antara pengamatan baru grup. Mereka juga termasuk pengukuran penggabungan dua lubang hitam dengan berat sekitar 100 dan 140 massa matahari, membentuk lubang hitam setidaknya 225 massa matahari: merger lubang hitam terbesar yang pernah diamati.

Sampai sekarang, para peneliti telah melihat bahwa sistem biner di mana lubang hitam mengorbit satu sama lain secara tipikal memiliki massa hingga 50 massa matahari. Di luar ini, jumlah pengamatan turun secara signifikan.

GW231123, nama tabrakan ini, mematahkan pola itu. Lubang hitam yang dihasilkan dapat memiliki berat hingga 260 massa matahari, menempatkannya di luar klasifikasi normal lubang hitam “bintang” yang terbentuk dari bintang-bintang, dan sebaliknya ke kisaran yang dikenal sebagai lubang hitam massa menengah-antara antara 150 dan 100.000 massa matahari. Ukuran ini sangat langka dan membingungkan para ilmuwan.

“Pengamatan menantang pemahaman kita tentang bagaimana lubang hitam terbentuk. Lubang hitam dari massa besar seperti itu tidak boleh muncul melalui keruntuhan bintang biasa. Salah satu kemungkinan adalah bahwa dua lubang hitam dalam sistem ini sendiri dibentuk oleh penggabungan sebelumnya dari lubang hitam yang lebih kecil, tetapi sebenarnya, kata Jose.

Selain massa ekstremnya, kedua lubang hitam berputar pada kecepatan tinggi yang luar biasa, membuat pengamatan semakin luar biasa. Kelemahannya, bagaimanapun, adalah bahwa sinyal ini sangat pendek dan lemah dibandingkan dengan GW250114, yang membuat analisis dan interpretasi menjadi lebih sulit.

Bidang penelitian yang mendorong inovasi

Einstein memperkirakan gelombang gravitasi hampir 100 tahun yang lalu sebagai aspek yang tak terhindarkan dari teori relativitasnya yang terkenal. Sepuluh tahun yang lalu, teori ini menjadi realitas empiris ketika gelombang gravitasi pertama diukur. Sekarang, dekade ini ditandai oleh banyak pengamatan baru, termasuk dua yang spektakuler ini. Kedua studi adalah tonggak sejarah yang menunjukkan bahwa kita tidak hanya dapat mendengar resonansi terdalam alam semesta———-kita dapat mulai memecahkan kode strukturnya.

Kemajuan teknologi Ligo sejak 1980 -an telah menyebabkan beberapa inovasi inovatif:

Stabilisasi Laser: Metode baru untuk menstabilkan laser, yang disebut teknik pound-drever-hall. Sekarang banyak digunakan, termasuk dalam jam atom dan komputer kuantum.

Pelapis cermin: Ligo telah mengembangkan pelapis cermin canggih yang hampir memantulkan cahaya laser, yang sangat penting untuk pengukuran yang tepat.

Squeezing Quantum: Menggunakan apa yang disebut “pemerasan kuantum,” LIGO telah meningkatkan sensitivitas dan mengurangi kebisingan, yang sebaliknya dibatasi oleh hukum mekanik kuantum.

Kecerdasan Buatan: Metode AI baru yang dikembangkan di bidang penelitian dapat menghilangkan kebisingan yang tidak diinginkan dan lebih meningkatkan pemrosesan sinyal.

Seperti yang sering terjadi dalam fisika, penelitian mendasar yang mendorong penemuan ini juga dapat mengarah pada teknologi baru. Sudah, instrumen yang sangat sensitif yang digunakan untuk mengukur gelombang gravitasi telah menyebabkan jenis baru laser dan sistem optik di komputer kuantum dan jam atom, dan teknik AI digunakan untuk mengurangi kebisingan dan banyak lagi.

Perkembangan ini diperkirakan akan berlanjut. Gelombang pengamatan di masa depan diantisipasi untuk akhirnya memasukkan semua sinyal gelombang gravitasi dari tabrakan lubang hitam yang ditawarkan alam semesta. Ini akan dicapai dengan memperluas kolaborasi LVK dengan observatorium baru di India dan melalui instrumen baru yang direncanakan.

“Kami berharap bidang penelitian ini menjadi penting bagi pemahaman mendasar kami tentang alam semesta. Kami baru saja mencapai akhir dari awal,” kata Jose Ezquiaga.

Artikel penelitian tentang observasi GW231123 belum melewati peer review tetapi diharapkan akan segera melakukannya. Artikel tentang pengamatan yang disebutkan pertama, GW250114, dapat dibaca dalam jurnal Fisik Review Letters.

Untuk informasi lebih lanjut tentang pengamatan membaca siaran pers LVK di sini