pixabay.com
Dengan menggunakan detektor gelombang gravitasi terbesar yang pernah dibuat, kami telah mengkonfirmasi laporan sebelumnya bahwa struktur alam semesta terus bergetar. Gemuruh di latar belakang ini kemungkinan besar disebabkan oleh tabrakan antara lubang hitam raksasa yang berada di jantung galaksi.
Hasil dari detektor kami – serangkaian bintang neutron yang berputar cepat dan tersebar di seluruh galaksi – menunjukkan “latar belakang gelombang gravitasi” ini mungkin lebih keras dari yang diperkirakan sebelumnya. Kami juga telah membuat peta gelombang gravitasi paling detail di langit, dan menemukan “titik panas” aktivitas yang menarik di Belahan Bumi Selatan.
Penelitian kami dipublikasikan hari ini di tiga makalah di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
Riak dalam ruang dan waktu
Gelombang gravitasi adalah riak dalam struktur ruang dan waktu. Mereka tercipta ketika benda-benda yang sangat padat dan masif mengorbit atau bertabrakan satu sama lain.
Objek terpadat dan masif di alam semesta adalah lubang hitam, sisa-sisa bintang mati. Satu-satunya cara untuk mempelajari lubang hitam adalah dengan mencari gelombang gravitasi yang dipancarkannya ketika mereka bergerak berdekatan.
Sama seperti cahaya, gelombang gravitasi dipancarkan dalam suatu spektrum. Lubang hitam paling masif memancarkan gelombang paling lambat dan paling kuat – namun untuk mempelajarinya, kita memerlukan detektor seukuran galaksi kita.
Gelombang gravitasi frekuensi tinggi yang diciptakan oleh tabrakan antara lubang hitam yang relatif kecil dapat ditangkap dengan detektor yang berbasis di Bumi, dan gelombang tersebut pertama kali diamati pada tahun 2015. Namun, bukti keberadaan gelombang yang lebih lambat dan lebih kuat belum ditemukan hingga saat ini. tahun lalu.
Beberapa kelompok astronom di seluruh dunia telah merakit detektor gelombang gravitasi skala galaksi dengan mengamati secara dekat perilaku kelompok bintang tertentu. Eksperimen kami, MeerKAT Pulsar Timing Array, adalah detektor skala galaksi terbesar.
Hari ini kami telah mengumumkan bukti lebih lanjut mengenai gelombang gravitasi frekuensi rendah, namun dengan beberapa perbedaan menarik dari hasil sebelumnya. Hanya dalam sepertiga waktu percobaan lainnya, kami telah menemukan sinyal yang mengisyaratkan alam semesta lebih aktif dari yang diperkirakan.
Kita juga telah mampu memetakan arsitektur kosmik yang ditinggalkan dengan menggabungkan galaksi-galaksi secara lebih akurat dibandingkan sebelumnya.
Lubang hitam, galaksi, dan pulsar
Para ilmuwan yakin, di pusat sebagian besar galaksi, terdapat objek raksasa yang dikenal sebagai lubang hitam supermasif. Meskipun massanya sangat besar – miliaran kali massa Matahari kita – raksasa kosmik ini sulit untuk dipelajari.
Para astronom telah mengetahui tentang lubang hitam supermasif selama beberapa dekade, tetapi hanya mengamati satu lubang hitam secara langsung untuk pertama kalinya pada tahun 2019.
Ketika dua galaksi bergabung, lubang hitam di pusatnya mulai berputar ke arah satu sama lain. Dalam proses ini mereka mengirimkan gelombang gravitasi yang lambat dan kuat sehingga memberi kita kesempatan untuk mempelajarinya.
Kami melakukan ini dengan menggunakan kelompok objek kosmik eksotis lainnya: pulsar. Ini adalah bintang-bintang yang sangat padat yang sebagian besar terdiri dari neutron, yang mungkin seukuran kota tetapi dua kali lebih berat dari Matahari.
Pulsar berputar ratusan kali per detik. Saat berputar, mereka bertindak seperti mercusuar, menghantam Bumi dengan gelombang radiasi yang berjarak ribuan tahun cahaya. Untuk beberapa pulsar, kita dapat memprediksi kapan pulsa tersebut akan mencapai kita dalam waktu nanodetik.
Detektor gelombang gravitasi kami memanfaatkan fakta ini. Jika kita mengamati banyak pulsar dalam periode waktu yang sama, dan kita salah menentukan kapan pulsar tersebut menghantam kita dengan cara yang sangat spesifik, kita tahu bahwa gelombang gravitasi meregangkan atau menekan ruang antara Bumi dan pulsar.
Namun, alih-alih hanya melihat satu gelombang saja, kita akan melihat lautan kosmik penuh gelombang yang saling bersilangan ke segala arah – riak yang menggema dari semua penggabungan galaksi dalam sejarah alam semesta. Kami menyebutnya latar belakang gelombang gravitasi.
Sinyal yang sangat keras – dan 'hot spot' yang menarik
Untuk mendeteksi latar belakang gelombang gravitasi, kami menggunakan teleskop radio MeerKAT di Afrika Selatan. MeerKAT adalah salah satu teleskop radio paling sensitif di dunia.
Sebagai bagian dari MeerKAT Pulsar Timing Array, mereka telah mengamati sekelompok 83 pulsar selama sekitar lima tahun, mengukur secara tepat kapan pulsa mereka tiba di Bumi. Hal ini mengarahkan kami untuk menemukan pola yang terkait dengan latar belakang gelombang gravitasi, hanya saja polanya sedikit berbeda dari apa yang ditemukan dalam eksperimen lain.
Pola tersebut, yang mewakili bagaimana ruang dan waktu antara Bumi dan pulsar diubah oleh gelombang gravitasi yang melintas di antara keduanya, ternyata lebih kuat dari yang diperkirakan.
Ini mungkin berarti terdapat lebih banyak lubang hitam supermasif yang mengorbit satu sama lain daripada yang kita duga. Jika ya, maka hal ini menimbulkan lebih banyak pertanyaan – karena teori yang ada saat ini menunjukkan bahwa jumlah lubang hitam supermasif seharusnya lebih sedikit daripada yang kita lihat.
Ukuran detektor kami, dan sensitivitas teleskop MeerKAT, berarti kami dapat menilai latar belakang dengan sangat presisi. Hal ini memungkinkan kami membuat peta latar belakang gelombang gravitasi paling detail hingga saat ini. Memetakan latar belakang dengan cara ini sangat penting untuk memahami arsitektur kosmik alam semesta kita.
Hal ini bahkan mungkin membawa kita ke sumber utama sinyal gelombang gravitasi yang kita amati. Meskipun kami berpendapat bahwa kemungkinan besar latar belakangnya muncul dari interaksi lubang hitam kolosal ini, hal ini juga bisa berasal dari perubahan di alam semesta awal yang energik setelah Big Bang – atau bahkan mungkin peristiwa yang lebih eksotik.
Peta yang kami buat menunjukkan “titik panas” aktivitas gelombang gravitasi yang menarik di langit Belahan Bumi Selatan. Ketidakteraturan semacam ini mendukung gagasan bahwa latar belakang diciptakan oleh lubang hitam supermasif, bukan alternatif lain.
Namun, membuat detektor seukuran galaksi sangatlah rumit, dan masih terlalu dini untuk mengatakan apakah ini asli atau anomali statistik.
Untuk mengonfirmasi temuan kami, kami berupaya menggabungkan data baru kami dengan hasil kolaborasi internasional lainnya di bawah bendera International Pulsar Timing Array.
