TechSemut Malaysia

Penantian 100 tahun gelombang graviti kini berakhir!

Penantian 100 tahun gelombang graviti kini berakhir!

Penantian 100 tahun gelombang graviti kini berakhir!
Januari 27
01:30 2017

extra_large-1466003284-cover-image

Pada 14 September 2015, pukul 9.50 pagi, dua alat pengesan Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) telah mengesan isyarat gelombang graviti yang berjulat di antara 35 – 250 Hz dan memberi gangguan kepada struktur ruang (dipanggil strain, h) sebanyak 1.0 x 10-21. Apa yang menariknya, gelombang ini sepadan dengan bentuk gelombang yang diramalkan oleh teori relativiti umum Albert Einstein yang dirangka hampir 100 tahun sebelum itu.

Penemuan ini telah diumumkan oleh Pengarah Urusan LIGO, David Reitz pada 12 Februari 2016 pukul 10.30 pagi waktu EST apabila beliau berkata secara langsung dihadapan media dan lebih kurang 84 ribu penonton atas talian di laman sesawang Youtube, “ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it!” Pengumuman bersejarah ini telah disambut oleh tepukan meriah daripada para media dan dari penulis sendiri pun menyambutnya dengan tepukan ketika menonton sesi tersebut dari rumah.

Teori relativiti umum diasaskan oleh Einstein pada tahun 1915, iaitu 10 tahun sesudah Einstein menghasilkan teori relativiti khas beliau. Pada tahun berikutnya iaitu tahun 1916, barulah Einstein menjangkakan kewujudan gelombang graviti yang dijumpai oleh LIGO baru-baru ini. Menurut Einstein, gelombang graviti ini bergerak dengan kelajuan cahaya, c dan mempunyai amplitud yang teramat kecil.

Ahli fizik mempunyai keyakinan yang berbeza akan kewujudan gelombang ini. Sebahagiannya yakin ia wujud, ini termasuklah ahli fizik Amerika Syarikat bernama Howard P. Robertson. Sebahagian yang lain pula merasa ragu-ragu seperti Arthur S. Eddington. Dan bagi Einstein sendiri, beliau berada di tengah-tengah antara yakin dan ragu-ragu. Dipetik daripada phys.org, profesor B Sathyaprakash dari Universiti Cardiff berkata, “In fact, after working out his initial solution, even Einstein had a hard time believing gravitational waves are real...” Pada tahun 1957, ahli fizik telah mengadakan sebuah debat (Persidangan Chapel Hill) yang penting bagi membincangkan isu gelombang graviti ini.

Gelombang elektromagnet dan gelombang graviti

Ahli fizik mendapati terdapat beberapa persamaan di antara gelombang graviti dan gelombang elektromagnet. Walaupun ada yang tidak bersetuju kerana ia seperti membandingkan buah epal dengan buah oren, tetapi tidak mengapa ia merupakan spesis buah juga. Kedua-duanya berkongsi persamaan sedikit sebanyak. Begitu juga dengan gelombang graviti dan elektromagnet – kedua-duanya adalah gelombang. Apakah persamaan gelombang elektromagnet dan graviti dan apakah perbezaan kedua-duanya?

Persamaan kedua-dua gelombang ini, ia bergerak dengan kepantasan cahaya iaitu 300, 000 km/saat. Kedua, ketinggian puncak (amplitud) akan semakin berkurang dengan meningkatnya jarak dari sumber asal gelombang. Ini bermaksud, semakin jauh gelombang daripada punca mereka keluar, semakin rendah amplitud mereka. Ia dikenali sebagai damping / attenuation.

Sementara gelombang graviti pula, ia hanya akan melepasi sesuatu jirim / objek dengan interaksi yang sangat sedikit sahaja dengan objek yang ditempuh. Ia sangat susah di kesan, tetapi sangat penting untuk ditemui kerana mempunyai maklumat tulen (uncontaminated information) berkenaan sumber asal mereka datang.

Selain itu, gelombang graviti juga memerlukan sumber objek yang bergraviti tinggi. Justeru, objek seperti lohong hitam ataupun bintang neutron adalah calon terbaik bagi mengesan sumber gelombang ini. Tambahan pula sumber gelombang graviti juga mestilah mempunyai pergerakan yang koheren (coherent motion). Ini berbeza dengan gelombang elektromagnet dimana ia di hasikan oleh pergerakan tidak menentu (incoherent motion) daripada zarah-zarah yang bercaj. Dan mereka juga terdedah kepada pencemaran sekitar seperti serapan yang signifikan apabila melanggar objek.

Lohong hitam dan teori relativiti umum.

Selain daripada gelombang graviti, teori relativiti Einstein juga turut meramalkan kewujudan sebuah objek ganas dikenali lohong hitam. Kehadiran lohong hitam akan menyebabkan ruang di sekelilingnya bergetar (ripple) dimana getaran inilah yang dipanggil gelombang graviti tadi. Kewujudan lohong hitam ini telah dijumpai oleh seorang ahli fizik Jerman bernama Karl Schwarzchild pada tahun 1916.

Berikutnya pada tahun 1963, seorang ahli fizik New Zealand bernama Roy Kerr pula telah menemui sejenis lohong hitam yang berputar-putar (dikenali kerr black holes). Dan sejak daripada itulah iaitu bermula tahun 1970, ahli fizik mula mengkaji struktur getaran ruang-masa yang berada di sekeliling lohong hitam ini (dikenali sebagai quasinormal mode). Pada tahun 1990, ahli fizik telah berjaya menghasilkan simulasi pasangan lohong hitam yang bergabung dan mereka juga mempunyai gambaran yang tepat mengenai gelombang graviti yang dihasilkan daripadanya.

Walaubagaimanapun, kejadian lohong hitam bergabung tidak pernah sekalipun dapat diperhatikan oleh ahli fizik. Namun, sejak daripada penemuan sejenis bintang Neutron iaitu PSR B1913+16 oleh ahli fizik Amerika Syarikat bernama Russel Hulse dan Joseph Taylor, mereka mula menyedari akan kewujudan gelombang graviti yang diramalkan Einstein pada tahun 1916 dahulu. Disebabkan penemuan mereka itu, Hulse dan Taylor telah dianugerahkan hadiah Nobel Fizik pada tahun 1993.

Selepas penemuan PSR B1913+16, ahli fizik mula bertungkus lumus membina alat pengesan untuk mengesan gelombang graviti yang dimaksudkan. Segalanya bermula pada tahun 1960 lagi, iaitu sebelum PSR B1913+16 ditemui. Ahli fizik Amerika Syarikat bernama Joseph Weber adalah orang yang mula-mula sekali cuba membina alat pengesan gelombang graviti dikenali bar detector. Beliau antara ahli fizik yang yakin akan kewujudan gelombang graviti ini walaupun tanpa penemuan PSR B1913+16.

Kemudian pada tahun 1970, usaha-usaha memperkemas alat pengesan Weber telah dilakukan oleh saintis. Mereka mengkaji isu-isu gangguan (noise) dan keupayaan pada alat Weber, dan seterusnya membentuk sebuah konsep alat pengesan lain yang lebih maju daripada sebelumnya.

Daripada sinilah datangnya idea untuk menggunakan laser–interferometer sebagai alat pengesan yang baru. Dengan menggunakan laser interferometer, alat pengesan akan menjadi lebih sensitif dan dapat berfungsi pada frekuensi yang lebih luas lagi. Isu-isu gangguan seperti gangguan berfrekuensi rendah di sebabkan seismic noise iaitu gangguan di bawah frekuensi 60 Hz telah berjaya di atasi oleh pengesan yang baru ini. Namun, gangguan seismic masih sukar dihapuskan terutamanya bagi frekuensi di bawah 5 – 1o Hz.

Seawal tahun 2000, terdapat beberapa alat pengesan gelombang graviti telah berjaya diwujudkan. Ini termasuklah alat pengesan TAMA 300 daripada Jepun, GEO 600 daripada Jerman, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dari Amerika Syarikat dan alat pengesan VIRGO sepanjang 3 km daripada Itali. Selain daripada alat pengesan di atas daratan, European Space Agency, ESA juga sedang merancang melancarkan alat pengesan gelombang graviti yang berpengkalan di ruang angkasa. Alat pengesan yang dikenali sebagai Laser Interferometer Space Antenna (LISA) itu dijangka akan dilancarkan pada tahun 2020 kelak.

Pada tahun 2015, versi termaju alat pengesan LIGO telah menjadi alat yang paling sensitif berada di dunia ini dimana melaluinya mereka berjaya mengesan gelombang graviti yang diramalkan Einstein. Alat pengesan LIGO menggunakan pancaran laser iaitu Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) dan terdiri daripada 2 “lengan” (arms) yang setiap satunya mempunyai kepanjangan 4 km. Versi termaju LIGO ini adalah 10 kali ganda lebih sensitif daripada versi LIGO yang sebelumnya.

Lengan ini pula diberi nama LIGO Hanford, ataupun H1 dan LIGO Livingston ataupun L1. Gelombang graviti ini mula-mula sekali dikesan oleh L1 dan kemudian diikuti pula oleh H1. Kesan gangguan ruang-masa / Strain, h pada L1 dan H1 dapat dilihat pada rajah.

Screen Shot 2016-02-12 at 9.15.53 PM

Gelombang graviti yang dikesan oleh L1 & H1 Sumber : B. P. Abbott et al. (2016)

Ketika LIGO menjadi satu-satunya alat yang berjaya mengesan gelombang graviti ini, alat-alat pengesan yang lain seperti VIRGO sedang dalam proses menaik taraf, manakala alat pengesan GEO 600 tidak cukup sensitif lagi untuk mengesan gelombang graviti tersebut.

Gelombang yang ditemui oleh LIGO tersebut telah diberi nama Gravitational Wave 150914 atau singkatannya GW150914. Apabila dikesan, dalam masa 0.2 saat sahaja ia telah membuat 8 kitaran (cycles) dan berfrekuensi antara 35 sehingga 150 Hz. Bagi penyelidik dari LIGO, alasan paling munasabah untuk perkara ini hanyalah satu, iaitu kerana 2 objek berjisim m1 dan m2 yang saling berputar antara satu sama lain kemudian bergabung dan seterusnya menghasilkan gelombang graviti tadi. 2 objek inilah yang dipanggil lohong hitam tadi. Menurut Dave Reitz, iaitu Pengarah Eksekutif LIGO, fenomena gabungan tersebut telah berlaku semenjak 1.3 bilion tahun yang lalu lagi.

Bagaimana LIGO mengesan GW150914 ?

Saintis daripada LIGO dapat mengesan GW150914 demgan mengira perbezaan panjang lengan ortogonal (Lengan 900) yang terdapat pada LIGO. Setiap lengan akan mempunyai 2 cermin, (dikenali sebagai test mass) dan masing-masing mempunyai jarak Lx = Ly = L = 4 km. Jika GW150914 melepasi lengan ini, ia akan menggangu kepanjangan asal lengan, dimana beza antara panjang inilah yang menjadi petunjuk kepada kehadiran gelombang graviti tersebut. Kepanjangan selepas dan sebelumnya boleh diambil daripada ΔL(t) = δLx − δLy = h(t)L dimana h adalah amplitud tekanan gelombang graviti (gravitational-wave strain amplitude). Dengan kata lain, untuk mendapatkan isyarat gelombang graviti, saintis telah menukarkannya ke dalam bentuk isyarat optik.

Screen Shot 2016-02-12 at 11.11.43 PM

 Configurasi alat pengesan LIGO – Sumber : B. P. Abbott et al. (2016)

Perbezaan panjang ini akan mengubah “alignment” medan gelombang laser yang akan tiba di beam splitter yang akhirnya menghantar isyarat optik kepada photodetector. Perubahan optik yang berlaku pada laser adalah berkadar langsung dengan perubahan ruang, h yang disebabkan oleh GW150914 tadi.

Bagaimana mengira panjang bagi setiap lengan?

Untuk mengira kepanjangan setiap lengan, sebuah pancaran laser akan menuju kepada beam splitter dan kemudian dipisahkan kepada 2 lengan. Power-recycling mirror yang terletak di bahagian masuk (input) akan menguatkan lagi tenaga laser yang datang kepada beam splitter daripada 20W kepada 700 W di mana kuasanya akan digandakan lagi kepada 100 kW.

Sebahagian pancaran akan dihantar ke satu lengan, manakala laser yang lain akan dihantar ke lengan yang lain pula. Setiap lengan akan mempunyai 2 cermin (dikenali test mass). Fungsi test mass ini adalah memperkuatkan lagi gelombang graviti sebanyak 300 kali ganda. Cermin akan diletakkan di hujung bahagian lengan dan di bahagian yang berhampiran dengan beam slpitter. Pancaran laser di setiap lengan akan saling dipantulkan antara 2 cermin sebelum ia kembali semula ke beam splitter. Di sinilah 2 laser dari 2 lengan yang berbeza akan bertembung semula.

Jika kepanjangan kedua-dua lengan tidak berubah, gelombang laser akan saling membatalkan antara satu sama lain justeru tidak ada cahaya laser yang akan dapat dikesan photodetector. Rajah (a).

12345

Penjajaran yang sama antara gelombang menunjukkan tiada sebarang gangguan telah berlaku

Sebaliknya jika gelombang graviti melalui ke kawasan lengan, ia menyebabkan kepanjangan lengan memanjang sedikit dan penjajaran kedua-dua gelombang laser sudah tidak sama. Jadi tidak ada pembatalan berlaku apabila bertembung di beam splitter dan isyarat optik akan dapat dikesan oleh photodetector. Rujuk rajah (b)

hgvhvbhb

Penjajaran yang tidak sama antara gelombang menunjukkan gangguan telah berlaku

Sumber :

P. Abbott et al., (2016), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116: 061102

 http://phys.org/news/2016-02-einstein-year-odyssey.html

Kerja-kerja plagiat tanpa memberikan kredit kepada sumber adalah suatu tindakan yang tidak bertanggungjawab dan menyalahi hak cipta dan kreativiti seseorang.

sumber : http://www.sciencenazi.com/

Related Articles

0 Comments

No Comments Yet!

There are no comments at the moment, do you want to add one?

Write a comment

Write a Comment

Your email address will not be published.
Required fields are marked *

CAPTCHA

*

Facebook Auto Publish Powered By : XYZScripts.com