LIGO: Mendeteksi Gelombang Gravitasi dengan Optik Presisi

Melihat Gravitasi: Bagaimana LIGO Mendeteksi Gelombang Gravitasi

Sejarah astronomi terkait dengan kemajuan teleskop, yang secara bertahap mengungkapkan lebih banyak tentang Alam Semesta kepada kita. Ini dimulai dengan teleskop primitif Galileo dan pelopor lainnya, dan berlanjut hingga saat ini.

Kami telah meliput beberapa proyek teleskop megaproyek baru, seperti:

• DKIST, teleskop surya paling kuat di dunia.
• Teleskop Luar Angkasa James Webb, terletak jutaan mil jauhnya dari Bumi.
• Observatorium Vera C. Rubin, teleskop survei yang melihat seluruh langit sekaligus.
• SKAO (Observatorium Array Kilometer Persegi), mempelajari langit dalam spektrum gelombang radio.
• DUNE (Eksperimen Neutrino Bawah Tanah Dalam), mendeteksi neutrino yang sulit ditemukan.

Sebuah jenis astronomi baru muncul, yang mempelajari gelombang gravitasi dalam cara yang sama sekali baru: bukan dengan cahaya dan panjang gelombang gelombang elektromagnetik, tetapi dengan mengukur gelombang gravitasi.

Hanya teoretis sampai relatif baru-baru ini, sekarang gelombang gravitasi adalah fenomena yang terbukti. Salah satu proyek sedang mempelajari cara mengukur gelombang gravitasi: Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser (LIGO).

Mengukur Gravitasi dengan Astronomi Gelombang Gravitasi

Gravitasi telah lama dipercaya sebagai “hanya” salah satu gaya fundamental Alam Semesta, seperti elektromagnetisme atau gaya yang menggerakkan gaya nuklir pada tingkat atom.

Tapi di awal abad ke-20, teori relativitas Einstein menjelaskan gravitasi sebagai kelengkungan ruang-waktu.

Teorinya tidak hanya menjelaskan bagaimana gravitasi bekerja untuk objek besar seperti bintang, tetapi juga memprediksi banyak fenomena ruang yang belum ditemukan pada saat itu, seperti bintang neutron dan lubang hitam.

Prediksi lainnya adalah gelombang gravitasi, yang menyebabkan ruang-waktu meregang dan menyusut seperti riak yang merambat di permukaan danau.

Tidak seperti gelombang cahaya biasa atau bahkan gelombang air laut, gelombang gravitasi tidak dibawa oleh partikel-partikel. Sebaliknya, gelombang gravitasi terjadi ketika kain ruang-waktu itu sendiri bergelombang atau bergetar.

Beberapa peristiwa kemungkinan besar cukup kuat untuk menghasilkan gelombang gravitasi yang cukup kuat untuk diukur, seperti, misalnya, tabrakan dua lubang hitam satu sama lain.

Namun, tidak peduli seberapa kuat fenomena tersebut dalam istilah absolut, jarak besar antara Bumi dan sumbernya, dan kesulitan mencoba mengukur ruang-waktu itu sendiri, berarti bahwa instrumen ultra-sensitif perlu dirancang untuk mendeteksi peristiwa tersebut.

Saat gelombang gravitasi mencapai Bumi, jutaan atau miliaran tahun cahaya jauhnya, mereka menjadi ribuan miliar kali lebih kecil.

Inilah mengapa instrumen seperti LIGO akan dikonseptualisasikan.

Untuk gelombang gravitasi dari deteksi pertama LIGO, jumlah ruang-waktu yang dihasilkan oleh gelombang gravitasi itu 10.000 kali lebih kecil dari inti atom!

Bagaimana Interferometer Mendeteksi Gelombang Gravitasi

Bukti tidak langsung pertama gelombang gravitasi diperoleh oleh studi orbit pulsar biner. Kehilangan energi decay orbital sesuai dengan energi yang diprediksi akan hilang ke generasi gelombang gravitasi, memenangkan ilmuwan yang bertanggung jawab atas penemuan ini Hadiah Nobel Fisika 1993.

Sumber: Nobel Prize

Pengukuran langsung memerlukan jenis bukti yang berbeda, menggunakan interferometer. Ide dasar interferometer adalah menggunakan interaksi antara berkas cahaya. Jika dua gelombang cahaya memiliki panjang gelombang yang sama, mereka akan tumpang tindih dan menciptakan pola bintik-bintik gelap dan terang.

Tapi jika sesuatu mengubah panjang gelombang ini, gangguan dapat diukur.

Karena perluasan dan kontraksi ruang-waktu dari gelombang gravitasi juga memperluas dan memperkecil salah satu lengan interferometer lebih dari yang lain, ini menciptakan efek yang dapat dideteksi dan diukur dari gelombang gravitasi.

LIGO – Prestasi Nobel

Pada intinya, LIGO terdiri dari 2 lengan panjang, dengan cahaya yang dikirim ke mereka, masing-masing berukuran 4 km, atau 2 ½ mil. Skala lengan membantu mendeteksi bahkan variasi yang paling kecil, karena semakin panjang lengan, semakin kecil pengukuran yang dapat dilakukan.

Seberkas cahaya laser dikirim ke salah satu lengan interferometer, yang kemudian dibagi menjadi dua. Kedua berkas kemudian dipantulkan kembali setelah mengenai cermin.

Biasanya, setiap berkas laser seharusnya saling menghilangkan.

Tapi jika satu lengan lebih dikontraksi atau diperluas daripada yang lain oleh gelombang gravitasi, interferensi antara berkas laser berhenti, dan sinyal cahaya terdeteksi.

Sumber: Nobel Prize

Pada 2015, Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser Nasional Sains AS (NSF LIGO) mengkonfirmasi deteksi gelombang yang dihasilkan oleh tabrakan lubang hitam 1,3 miliar tahun cahaya dari Bumi.

Pekerjaan ini memenangkan fisikawan Rainer Weiss, Barry Barish, dan Kip Thorne Hadiah Nobel Fisika 2017.

Membangun LIGO

Pada prinsipnya, LIGO adalah konsep yang relatif sederhana, yang mudah dipahami begitu kita telah berhasil memahami konsep gelombang gravitasi dan dengan pemahaman minimum tentang cahaya dan laser.

Membangun sistem yang presisi enough untuk dapat mendeteksi variasi panjang 1/10.000 ^th dari atom adalah cerita lain.

Dua fasilitas yang sama dibangun, satu di barat laut AS dan satu di Louisiana, dipisahkan oleh sekitar 3.000 km (1860 mil).

Sumber: Nobel Prize

Fasilitas ganda bekerja sebagai konfirmasi, karena jarak besar antara mereka berarti bahwa gelombang gravitasi akan memiliki “lag” tujuh detik antara keduanya, sambil menghasilkan sinyal yang sama.

Jadi, sedangkan hanya satu deteksi mungkin selalu dianggap sebagai kesalahan atau gangguan lokal, hal yang sama terjadi pada kedua sisi AS pada interval waktu yang diprediksi adalah hampir tidak mungkin.

Fasilitas ganda juga menyediakan keuntungan yang tak ternilai: kemungkinan untuk menentukan sinyal. Ini memungkinkan kita untuk mempersempit wilayah langit dari mana sinyal bisa berasal, yang kemudian diidentifikasi oleh astronom “biasa” yang akan menemukan objek langit yang mungkin bertanggung jawab.

Quest LIGO untuk Presisi Pengukuran Tak Tercapai

Hambatan teknis pertama adalah bahwa panjang gelombang cahaya laser dan intensitasnya harus stabil mungkin. Tanpa itu, fluktuasi acak bisa salah diartikan sebagai sinyal gelombang gravitasi.

Kemudian, berkas harus mengenai cermin yang digantung dengan presisi. Cermin ini tidak boleh bergerak sama sekali.

Mereka harus hampir tidak bergetar sama sekali, bahkan ketika daun jatuh dari pohon terdekat, seorang anak berlari, atau truk lewat di jalan jauh. Pada saat yang sama, cermin yang digantung ini harus bebas untuk bergoyang dengan lewatnya gelombang gravitasi.

Variasi kecil yang tidak disebabkan oleh gravitasi juga perlu dikompensasikan, seperti:

• Gerakan termal atom pada permukaan cermin
• Efek kuantum pada laser.
• Goncangan seismik.
• Setiap ketidakmurnian udara akan mengganggu, sehingga memerlukan seluruh eksperimen untuk dilakukan dalam tabung vakum besar.

Pada teori, lengan yang lebih panjang dari 4km akan menyediakan pengukuran yang lebih presisi, tetapi dalam prakteknya, ada batas praktis seberapa besar interferometer dapat dibangun.

Sebagai hasilnya, segera terlihat bahwa, selain pekerjaan awal, proyek ini memerlukan lebih banyak anggaran dan keahlian teknis daripada yang dapat disediakan oleh tim penelitian kecil.

Jadi pada 1994, ilmuwan Barry Barish dari CalTech mengubah kelompok penelitian kecil yang terdiri dari sekitar 40 orang menjadi kolaborasi internasional besar dengan lebih dari seribu peserta, dengan pendanaan awal $395M.

Ini akan memerlukan $200M secara keseluruhan untuk mencapai terobosan pada 2015, ketika LIGO menerima laser yang 10 kali lebih kuat, cermin yang beratnya 40 kilo, penyaring kebisingan yang sangat maju, dan salah satu sistem vakum terbesar di dunia.

Stabilisasi Seismik

Karena Bumi tidak pernah stabil secara sempurna, cermin LIGO juga tidak stabil tanpa stabilisator seismik.

Sistem pertama pengurangan getaran pasif dipasang pada cermin: sistem bandul kompleks yang menyerap getaran dan memblokirnya dari being transferred ke bagian berikutnya.

Kombinasi, struktur ini sangat efektif dalam mengurangi getaran sehingga setiap getaran yang ada pada bagian atas suspensi menjadi 100-juta kali lebih kecil saat mencapai massa uji itu sendiri.

Sumber: LIGO

Bahkan ini tidak cukup, sehingga dilengkapi dengan sistem stabilisasi aktif. Seismometer di sekitar setiap observatorium mendeteksi berbagai gerakan tanah, kemudian mengirim sinyal ini ke komputer yang menggabungkan mereka dan menentukan gerakan lawan.

Sumber: LIGO

Pentingnya kurangnya getaran adalah kriteria penting saat memilih lokasi untuk membangun interferometer. Tidak hanya mereka memerlukan banyak ruang bebas, tetapi juga tidak ada aktivitas manusia yang menghasilkan banyak getaran, setara dengan polusi cahaya untuk deteksi gelombang gravitasi.

Optik

Dengan berat 40kg, dan menggantung di bagian bawah suspensi, optik LIGO terbuat dari bahan sangat murni yang diletakkan dalam lapisan tebal nanometer. Mereka dilapisi dengan bahan yang memantulkan semua kecuali satu dari setiap 5 juta foton yang mengenainya!

Laser

Inti dari eksperimen, laser, perlu memiliki panjang gelombang yang sangat stabil untuk menjaga pola interferensi konsisten, dan hanya melihatnya terganggu oleh gelombang gravitasi.

Laser komersial tidak akan sepresisi itu. Jadi laser LIGO secara khusus direkayasa untuk menjadi salah satu laser paling stabil dan murni yang pernah diciptakan.

Vakum

Untuk mengurangi gangguan dari udara atau partikel mengambang, tes dijalankan dalam kondisi vakum ultra-tinggi.

Ini juga menghilangkan risiko debu yang menumpuk pada cermin, yang akan dihancurkan oleh laser dan menghancurkan cermin $2M.

Tekanan atmosfer di dalam lengan LIGO adalah sepersekian triliun dari tekanan laut, yang berarti ada sekitar 10 juta molekul per sentimeter kubik.

Prestasi LIGO

Setelah penemuan awal lubang hitam yang bertabrakan pada 2015, observatorium mengukur banyak peristiwa energi tinggi lainnya di Alam Semesta:

• Penyatuan lubang hitam lainnya pada 2016, masing-masing sekitar 30 massa matahari, terletak sejauh 1,3 miliar tahun cahaya, atau hampir 1/10 ^th dari jarak Alam Semesta yang dapat diamati.
• Penyatuan lubang hitam ketiga dan kemudian keempat pada 2017.

Setelah itu, LIGO ditutup untuk perbaikan sampai 2019, sebelum diinterupsi oleh pandemi. Ilmuwan menggunakan kesempatan ini untuk melakukan perbaikan lebih lanjut dan menambahkan ke jaringan VIRGO, fasilitas saudara Eropa di luar Pisa, Italia.

Masa Depan LIGO

Perbaikan sebelumnya telah membuat LIGO melakukan tidak kurang dari 79 deteksi gelombang gravitasi dalam beberapa tahun terakhir, menciptakan katalog ekstensif peristiwa yang melibatkan bintang neutron dan lubang hitam untuk astronom lainnya untuk mengidentifikasi secara akurat dan memahami lebih baik.

Peningkatan penting di masa depan akan menjadi penggantian cermin 40k saat ini dengan cermin 100kg, bersama dengan sistem suspensi yang lebih besar.

Sensitivitas tambahan harus membantu menemukan informasi lebih lanjut tentang gravitasi di Alam Semesta.

Bidang penelitian lainnya adalah “gelombang gravitasi ledakan”. Gelombang-gelombang ini berdurasi pendek dari sumber yang tidak diketahui atau tidak terduga dan hanya teoretis dan sulit dideteksi, sehingga analis yang menjalankan LIGO perlu terbuka terhadap apa yang merupakan sinyal yang valid.

“Kami juga dapat mendeteksi gelombang gravitasi dari sistem yang tidak pernah kita ketahui sebelumnya. Untuk mencari gelombang gravitasi seperti itu, kita tidak bisa menganggap bahwa mereka akan memiliki sifat yang ditentukan seperti yang telah dimodelkan oleh ilmuwan LIGO sebelumnya.

Ini berarti kita tidak dapat membatasi analisis kita untuk mencari hanya tanda-tanda gelombang gravitasi yang telah diprediksi oleh ilmuwan.”

Detektor Gelombang Gravitasi Lainnya

Generasi berikutnya dari interferometer juga sedang dibahas, terutama Cosmic Explorer, sebuah interferometer dengan lengan 40-km-panjang, atau Teleskop Einstein, sebuah detektor triangular dengan lengan 10 km yang dikubur jauh di bawah tanah.

Proyek lain yang mungkin terlihat di masa depan adalah detektor gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa yang sangat besar: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Ini sudah dirancang dan diuji oleh sebuah proyek yang dipimpin oleh Badan Antariksa Eropa yang akan mengoperasikan tiga pesawat ruang angkasa dalam formasi triangular, dengan jarak antara setiap satelit sekitar 2,5 juta kilometer.

Swipe to scroll →

Kesimpulan

LIGO adalah proyek yang sangat mengesankan, karena telah berkembang dari menjadi eksperimen pertama dari jenisnya menjadi segera memvalidasi keberadaan gelombang gravitasi.

Sebuah proyek seperti LIGO mungkin pada pandangan pertama tampak murni akademis. Ini jarang terjadi, meskipun aplikasi langsung mungkin sulit dibayangkan pada awalnya.

Misalnya, teori relativitas Einstein sekarang secara rutin digunakan untuk mengkalibrasi posisi satelit GPS, sebuah aplikasi yang sulit dibayangkan sebagai kebutuhan komersial sehari-hari pada 1919.

Serupa, LIGO mendorong ilmuwan untuk menciptakan cermin yang semakin presisi, sistem stabilisasi, dan laser, dengan tingkat keahlian teknik kelas dunia.

Inovasi ini kemungkinan akan berbuah dalam teknologi apa pun yang menggunakan perangkat ini, termasuk komputasi canggih atau teknologi ruang angkasa.

Investasi di Optik Canggih

Corning Incorporated

Karena teleskop mendorong apa yang mungkin dalam hal manufaktur presisi kaca canggih, ini juga membuka banyak kemungkinan industri dalam sektor yang bervariasi seperti otomotif, semikonduktor, AI, pertahanan, biotek, kesehatan, dll. Pasar optik canggih adalah pasar $310M, yang diperkirakan tumbuh sebesar 9,2% CAGR sampai 2032.

Corning adalah perusahaan kaca dan optik yang telah ada selama 170 tahun. Selama sejarahnya, perusahaan ini telah memproduksi bola lampu pertama untuk lampu listrik Thomas Edison, serat optik pertama dengan kerugian rendah, substrat seluler yang memungkinkan konverter katalitik, dan kaca penutup tahan gores untuk perangkat seluler.

Sumber: Corning

Hari ini, perusahaan ini fokus pada teknologi inti manufaktur kaca dan keramik, dan teknologi fisika optik, yang berbagi proses manufaktur dan pasar akhir yang sama.

Sumber: Corning

Interkoneksinya antara teknologi ini memungkinkan perusahaan untuk berbagi kemampuan manufaktur, penelitian, dan teknik antara berbagai lini produk. Dengan 52.000+ karyawan, 77+ situs manufaktur di seluruh dunia, dan 10+ fasilitas R&D, perusahaan ini adalah pemain besar di nichenya.

Sumber: Corning

Perusahaan ini mendapat manfaat dari booming AI dan pembangunan pusat data (serat optik), serta konsumsi kaca khusus dalam layar dan bioteknologi.

Corning tidak boleh terlalu dipengaruhi oleh tarif, karena 90% dari pendapatan AS berasal dari produk dengan asal AS. Sangat sedikit dari penjualan yang dilakukan di Cina berasal dari fasilitas AS, dengan 80% dari penjualan Cina dilakukan di Cina.

Tarif bahkan bisa membantu, karena Corning memasuki pasar panel surya, dengan kontrol strategis Hemlock Solar, untuk memproduksi panel AS, karena panel surya Asia (bukan hanya Cina) tunduk pada tarif empat digit. 80% dari kapasitas sudah diperkuat oleh komitmen pelanggan.

Panel surya membuat banyak sense untuk perusahaan, dengan penanganan silikon menjadi keahlian manufaktur inti perusahaan, telah memproduksi polikristal silikon selama 60 tahun, termasuk silikon ultra-murni (99,9999999999% murni) dan sekarang meluncurkan produksi wafer silikon, produk yang diimpor 100% di AS.

Sumber: Corning

Perusahaan ini juga melihat teknologi canggih lainnya di mana keahlian mereka dalam kaca dan keramik bisa memberikan keunggulan yang solid, termasuk kaca lentur, AR, penangkapan karbon, dll.

Sumber: Corning

Secara keseluruhan, Corning adalah perusahaan yang sangat teknis, dengan manufaktur lokal yang tidak boleh terlalu dipengaruhi oleh deglobalisasi. Ini juga mengadopsi pasar baru yang sesuai dengan kompetensi intinya, terutama surya dan komunikasi optik / infrastruktur AI. Ini membuatnya menjadi perusahaan yang konservatif dan juga potensial pertumbuhan saham di pasar teknologi tinggi.

Berita Terbaru Saham Corning Inc. (GLW)