LIGO: Mendeteksi Gelombang Gravitasi dengan Optik Presisi

Melihat Gravitasi: Bagaimana LIGO Mendeteksi Gelombang Gravitasi

Sejarah astronomi terkait dengan kemajuan teleskop, secara bertahap mengungkap lebih banyak tentang alam semesta kepada kita. Ia dimulai dengan teleskop primitif Galileo dan pionir lainnya, dan terus berlanjut hingga hari ini.

Kami telah membahas beberapa megaproject teleskop baru, misalnya:

• DKIST, teleskop matahari paling kuat di dunia.
• The James Webb Space Telescope, berada jutaan mil dari Bumi.
• The Vera C. Rubin Observatory, teleskop survei yang melihat seluruh langit sekaligus.
• SKAO (Square Kilometer Array Observatory), mempelajari langit dalam spektrum gelombang radio.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), mendeteksi neutrino yang sulit ditangkap.

Sebuah jenis astronomi baru sedang muncul, yang mempelajarinya dengan cara yang sepenuhnya baru: alih-alih cahaya dan panjang gelombang gelombang elektromagnetik, ia mengukur gelombang gravitasi.

Hanya bersifat teoretis sampai baru-baru ini, kini gelombang gravitasi merupakan fenomena yang terbukti. Salah satu proyek yang mencari cara mengukurnya: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Mengukur Gravitasi dengan Astronomi Gelombang Gravitasi

Gravitasi lama dianggap hanya sebagai salah satu gaya fundamental alam semesta, seperti elektromagnetisme atau gaya yang menggerakkan gaya nuklir pada tingkat atom.

Namun pada pergantian abad ke-20^th, teori relativitas Einstein menggambarkan gravitasi sebagai kelengkungan ruang-waktu.

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

Prediksi lain adalah gelombang gravitasi, yang menyebabkan ruang meregang dan menyusut seperti riak yang menyebar di permukaan danau.

Berbeda dengan gelombang cahaya biasa atau bahkan gelombang laut, gelombang gravitasi tidak dibawa oleh partikel apa pun. Sebaliknya, gelombang gravitasi terjadi ketika kain ruang-waktu itu sendiri bergelombang atau bergetar. 

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

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

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

Inilah mengapa instrumen seimpresif LIGO dapat dipikirkan.

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

Bagaimana Interferometer Mendeteksi Gelombang Gravitasi

Bukti tidak langsung pertama gelombang gravitasi diperoleh melalui studi orbit pulsar biner. Kehilangan energi akibat peluruhan orbit cocok dengan energi yang diprediksi akan hilang untuk menghasilkan gelombang gravitasi, memberi para ilmuwan yang memimpin penemuan ini Nobel Fisika 1993.

Sumber: Nobel Prize

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

Namun jika sesuatu mengubah panjang gelombang tersebut, gangguan dapat diukur.

Karena ekspansi dan kontraksi ruang-waktu akibat gelombang gravitasi juga memperluas dan mengerutkan salah satu lengan interferometer lebih dari yang lain, hal ini menghasilkan efek gelombang gravitasi yang dapat dideteksi dan diukur.

LIGO – Prestasi Pemenang Nobel

Secara sederhana, LIGO terdiri dari 2 lengan panjang, dengan cahaya dikirim melalui keduanya, masing-masing sepanjang 4 km, atau 2½ mil. Skala lengan membantu mendeteksi variasi sekecil apa pun, karena semakin panjang lengan, semakin kecil pengukuran yang dapat dilakukan.

Sebuah berkas laser dikirim melalui satu lengan interferometer, yang kemudian dibagi menjadi dua. Kedua berkas kemudian dipantulkan kembali setelah menabrak cermin.

Biasanya, masing-masing berkas laser harus saling meniadakan.

Namun jika satu lengan berkontraksi atau memanjang lebih dari yang lain akibat gelombang gravitasi, interferensi antara berkas laser berhenti, dan sinyal cahaya terdeteksi.

Sumber: Nobel Prize

Pada 2015, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (NSF LIGO) milik National Science Foundation AS mengonfirmasi deteksi gelombang yang dihasilkan oleh tabrakan lubang hitam 1,3 miliar tahun cahaya dari Bumi.

Karya terobosan ini memberi fisikawan Rainer Weiss, Barry Barish, dan Kip Thorne Nobel Fisika 2017.

Membangun LIGO

Secara prinsip, LIGO adalah konsep yang relatif sederhana, yang mudah dipahami begitu kita berhasil memahami konsep gelombang gravitasi dan memiliki pemahaman dasar tentang cahaya serta laser.

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

Dua fasilitas serupa dibangun, satu di barat laut AS dan satu di Louisiana, terpisah sekitar 3.000 km (1.860 mil).

Sumber: Nobel Prize

Fasilitas ganda berfungsi sebagai konfirmasi, karena jarak yang besar berarti gelombang gravitasi akan memiliki jeda tujuh detik antara keduanya, sambil menghasilkan sinyal yang sama.

Jadi, meskipun satu deteksi saja selalu dapat dianggap sebagai kemungkinan kesalahan atau gangguan lokal, hal yang sama terjadi di kedua sisi AS pada interval waktu yang tepat hampir tidak mungkin.

Fasilitas ganda juga memberikan keuntungan tak ternilai: kemampuan untuk melakukan triangulasi sinyal. Ini memungkinkan kami mempersempit wilayah langit tempat sinyal mungkin berasal, yang kemudian diidentifikasi oleh astronom “reguler” yang akan menemukan objek bintang apa yang mungkin menjadi penyebabnya.

Pencarian LIGO untuk Presisi Pengukuran yang Belum Pernah Ada

Rintangan teknis pertama adalah panjang gelombang dan intensitas cahaya laser harus sestabil mungkin. Tanpa itu, fluktuasi acak dapat disalahartikan sebagai sinyal gelombang gravitasi.

Kemudian berkas harus mengenai cermin yang tergantung dengan tepat. Cermin-cermin ini tidak boleh bergerak sama sekali.

Mereka hampir tidak boleh bergetar sama sekali, bahkan ketika daun jatuh dari pohon di sekitar, seorang anak berlari lewat, atau truk melintas di jalan yang jauh. Pada saat yang sama, cermin yang tergantung ini harus bebas berayun seiring lewatnya gelombang gravitasi.

• Gerakan termal atom pada permukaan cermin
• Efek kuantum pada laser.
• Getaran seismik.
• Setiap impuritas udara akan mengganggu, sehingga seluruh percobaan harus dilakukan dalam tabung vakum besar.

Secara teori, lengan lebih panjang dari 4 km akan memberikan pengukuran yang lebih presisi, tetapi dalam praktik, ada batas praktis seberapa besar interferometer dapat dibangun.

Akibatnya, dengan cepat terlihat bahwa, selain pekerjaan pendahuluan, proyek ini memerlukan anggaran dan keahlian teknis yang jauh lebih besar daripada yang dapat disediakan tim riset kecil.

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

Diperlukan total $200 juta untuk mencapai terobosan 2015, ketika LIGO menerima laser 10 kali lebih kuat, cermin seberat 40 kilogram, penyaringan kebisingan yang sangat maju, dan salah satu sistem vakum terbesar di dunia.

Stabilisasi Seismik

Karena Bumi tidak pernah sepenuhnya stabil, begitu pula cermin LIGO tanpa penstabil seismik.

Sistem pertama pengurangan getaran pasif dipasang pada cermin: sistem pendulum kompleks yang menyerap getaran dan mencegahnya ditransfer ke bagian berikutnya.

Jika digabungkan, struktur ini sangat efektif dalam mengurangi getaran sehingga yang ada di puncak suspensi menjadi 100 juta kali lebih kecil saat mencapai massa uji.

Sumber: LIGO

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

Sumber: LIGO

Pentingnya minimnya getaran menjadi kriteria penting saat memilih lokasi pembangunan interferometer. Tidak hanya membutuhkan banyak ruang terbuka, tetapi juga tidak ada aktivitas manusia yang menghasilkan banyak getaran, setara dengan polusi cahaya untuk deteksi gelombang gravitasi.

Optik

Masing-masing seberat 40 kg, dan tergantung di bagian bawah suspensi, optik LIGO terbuat dari material ultra-murni yang dilapisi dalam lapisan setebal nanometer. Mereka dilapisi dengan material yang memantulkan semua kecuali satu dari setiap 5 juta foton yang menabraknya!

Laser

Inti percobaan, laser, harus memiliki panjang gelombang yang sangat stabil untuk menjaga pola interferensi tetap konsisten, dan hanya terganggu oleh gelombang gravitasi.

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

Vakum

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

Ini juga menghilangkan risiko debu menumpuk pada cermin, yang akan terbakar oleh laser dan menghancurkan cermin senilai $2 juta.

Tekanan atmosfer di dalam lengan LIGO adalah satu triliun dari tekanan permukaan laut, yang berarti hanya 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:

• Penggabungan lubang hitam lain pada 2016, masing-masing sekitar 30 massa matahari, terdeteksi sejauh 1,3 miliar tahun cahaya, atau hampir 1/10^th dari jarak seluruh alam semesta yang dapat diamati.
• Penggabungan lubang hitam ketiga dan kemudian keempat pada 2017.

Setelah itu, LIGO ditutup untuk perbaikan hingga 2019, sebelum terhenti oleh pandemi. Para ilmuwan memanfaatkan kesempatan tersebut untuk melakukan perbaikan lebih lanjut dan menambahkan jaringan VIRGO, fasilitas saudara Eropa di luar Pisa, Italia.

Masa Depan LIGO

Peningkatan sebelumnya telah membuat LIGO melakukan tidak kurang dari 79 deteksi gelombang gravitasi dalam beberapa tahun terakhir, menciptakan katalog luas peristiwa yang melibatkan bintang neutron dan lubang hitam bagi astronom lain untuk mengidentifikasi secara tepat dan memahaminya lebih baik.

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

Sensitivitas tambahan diharapkan membantu menemukan informasi lebih lanjut tentang gravitasi di alam semesta.

Bidang penelitian lain adalah “gelombang gravitasi burst”. Gelombang berdurasi pendek dari sumber yang tidak diketahui atau tidak terduga ini masih bersifat teoretis dan sulit dideteksi, sehingga analis yang mengoperasikan LIGO harus berpikiran terbuka tentang apa yang merupakan sinyal valid atau tidak.

“Kita mungkin juga mendeteksi gelombang gravitasi dari sistem yang sebelumnya tidak kita ketahui. Untuk mencari jenis gelombang gravitasi ini, kita tidak dapat mengasumsikan bahwa mereka akan memiliki sifat terdefinisi seperti yang telah dimodelkan sebelumnya oleh ilmuwan LIGO.

Ini berarti kita tidak dapat membatasi analisis kita hanya pada pencarian tanda-tanda gelombang gravitasi yang diprediksi oleh ilmuwan.”

Detektor Gelombang Gravitasi Lainnya

Generasi berikutnya dari interferometer juga sedang dibahas, terutama Cosmic Explorer, sebuah interferometer dengan lengan sepanjang 40 km, atau Einstein Telescope, detektor segitiga dengan lengan sepanjang 10 km yang terletak jauh di bawah tanah.

Proyek lain yang dapat terlihat di masa depan adalah detektor gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa yang sangat besar: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. Detektor ini sudah dirancang dan diuji oleh inisiatif yang dipimpin European Space Agency yang akan mengoperasikan tiga pesawat ruang angkasa dalam formasi segitiga, dengan jarak antar satelit sebesar 2,5 juta kilometer.

Swipe to scroll →

Kesimpulan

LIGO adalah proyek yang sangat mengesankan, karena ia beralih dari eksperimen pertama sejenisnya menjadi segera memvalidasi keberadaan gelombang gravitasi.

Proyek seperti LIGO pada pandangan pertama mungkin tampak murni akademis. Hal ini jarang terjadi, meskipun aplikasi langsungnya mungkin tampak sulit dibayangkan pada awalnya.

Misalnya, teori relativitas Einstein saat ini secara rutin digunakan untuk mengkalibrasi posisi satelit GPS, sebuah aplikasi yang sulit dibayangkan sebagai kebutuhan komersial harian pada tahun 1919.

Demikian pula, LIGO mendorong ilmuwan untuk menciptakan cermin, sistem stabilisasi, dan laser yang semakin presisi, dengan tingkat rekayasa kelas dunia.

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

Berinvestasi dalam Optik Tingkat Lanjut

Corning Incorporated

Seiring teleskop mendorong batas kemungkinan dalam manufaktur kaca canggih dengan presisi, hal ini juga membuka banyak peluang industri di sektor-sektor beragam seperti otomotif, semikonduktor, AI, pertahanan, biotek, perawatan kesehatan, dll. Pasar optik canggih bernilai $310 miliar, diperkirakan tumbuh 9,2% CAGR hingga 2032.

Corning adalah perusahaan kaca dan optik yang telah ada selama 170 tahun. Sepanjang sejarahnya, perusahaan ini memproduksi bohlam kaca pertama untuk lampu listrik Thomas Edison, serat optik berkerugian rendah pertama, substrat seluler yang memungkinkan konverter katalitik, dan kaca penutup tahan kerusakan pertama untuk perangkat seluler.

Sumber: Corning

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

Sumber: Corning

Keterkaitan teknologi ini memungkinkan perusahaan berbagi kemampuan manufaktur, riset, dan rekayasa yang sama antar lini produk yang berbeda. Dengan lebih dari 52.000 karyawan, lebih dari 77 situs manufaktur di seluruh dunia, dan lebih dari 10 fasilitas R&D, perusahaan menjadi pemain besar di niche-nya.

Sumber: Corning

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

Corning tidak akan terlalu terpengaruh oleh tarif, karena 90% pendapatan AS berasal dari produk dengan asal AS. Sangat sedikit penjualan yang dilakukan di China berasal dari fasilitas AS, dengan 80% penjualan di China diproduksi di China.

Tarif bahkan dapat membantu, karena Corning memasuki pasar panel surya, dengan kontrol strategis Hemlock Solar, untuk memproduksi panel buatan AS, sementara panel surya Asia (bukan hanya China) dikenakan tarif empat digit. 80% kapasitas telah diamankan oleh komitmen pelanggan.

Surya sangat masuk akal bagi perusahaan, dengan silikon menjadi keahlian manufaktur inti perusahaan, yang telah memproduksi polisilikon selama 60 tahun, termasuk silikon ultra-murni (99,9999999999% murni) dan kini meluncurkan produksi wafer silikon, produk yang diimpor 100% di AS.

Sumber: Corning

Perusahaan juga meneliti teknologi canggih lain di mana keahliannya dalam kaca dan keramik dapat memberikan keunggulan kuat, termasuk kaca dapat dilipat, AR, penangkapan karbon, dll.

Sumber: Corning

Secara keseluruhan, Corning adalah perusahaan yang sangat teknis, dengan manufaktur terlokalisasi yang tidak seharusnya terpengaruh oleh deglobalisasi. Perusahaan juga merangkul pasar baru yang sesuai dengan kompetensi inti, terutama surya dan komunikasi optik / infrastruktur AI. Hal ini menjadikannya perusahaan yang relatif konservatif yang hanya menggali lebih dalam niche-nya, namun juga saham pertumbuhan potensial di pasar teknologi tinggi.

Berita dan Perkembangan Saham Corning Inc. (GLW) Terbaru