Bagaimanakah Kita Mengesan Gelombang Graviti?

Kita tidak melihat gelombang graviti dengan teleskop biasa. Apabila gelombang ini melalui sebuah pengesan, jarak antara objek bebas berubah mengikut corak tertentu. Perubahannya sangat kecil, tetapi cahaya laser membolehkan dua jarak dibandingkan dengan ketepatan yang luar biasa. Prinsip inilah yang digunakan oleh LIGO untuk membuat pengesanan langsung pertama gelombang graviti pada 14 September 2015.

Apakah gelombang graviti?

Dalam relativiti am, graviti tidak sekadar digambarkan sebagai daya antara dua objek. Jirim dan tenaga berkaitan dengan geometri ruang-masa, dan perubahan tertentu dalam sistem berjisim boleh menghasilkan gangguan pada geometri itu yang merambat keluar sebagai gelombang graviti.

Bagi gelombang mudah yang bergerak ke arah pemerhati, kesannya boleh dibayangkan menggunakan gelang zarah bebas. Pada satu ketika, jarak dalam satu arah bertambah sementara jarak pada arah tegak lurus berkurang, dan setengah kitaran kemudian coraknya bertukar. Gambaran ini ialah visualisasi perubahan jarak, bukannya ruang yang diperbuat daripada bahan anjal seperti getah. Gelombang graviti daripada sumber astronomi yang jauh menghasilkan perubahan relatif yang amat kecil apabila sampai ke Bumi, maka mengesannya memerlukan ukuran yang sangat sensitif.

Daripada perubahan panjang kepada satu nombor

Kekuatan kesan gelombang graviti lazimnya diterangkan menggunakan terikan, h, iaitu perubahan panjang relatif: h ≈ ΔL/L, dengan L ialah panjang lengan rujukan dan ΔL ialah perubahan beza panjang antara dua lengan yang diukur. Jika h sekitar 10⁻²¹ dan L = 4 km, skala perubahan panjang ialah ΔL ≈ 10⁻²¹ × 4 × 10³ m ≈ 4 × 10⁻¹⁸ m.

Angka ini memberi gambaran tentang cabaran eksperimen. Untuk peristiwa GW150914, LIGO melaporkan perbezaan panjang antara lengan pada skala sekitar 4 × 10⁻¹⁸ m, iaitu ratusan kali lebih kecil daripada diameter sebuah proton. Namun ΔL bukan “amplitud universal” bagi semua gelombang graviti, kerana nilainya bergantung pada terikan gelombang, geometri pengesan dan tindak balas pengesan.

Bagaimanakah interferometer bekerja?

Setiap pengesan LIGO berbentuk seperti huruf L. Dua lengannya berserenjang dan setiap satu mempunyai panjang fizikal 4 km. Cahaya laser dibahagikan supaya bergerak melalui kedua-dua lengan, dipantulkan oleh cermin, kemudian digabungkan semula. Apabila dua gelombang cahaya bertemu, amplitudnya bertindih: jika puncak bertemu puncak, interferens boleh menguatkan cahaya, manakala jika puncak bertemu lembah dengan keadaan fasa yang sesuai, kedua-duanya boleh saling melemahkan.

Pengesan dikawal supaya perubahan yang sangat kecil pada perjalanan relatif cahaya antara kedua-dua lengan menghasilkan perubahan pada cahaya yang sampai ke fotopengesan. Bagi orientasi gelombang yang sesuai, satu lengan diregangkan sementara lengan yang berserenjang dimampatkan, kemudian keadaan bertukar sepanjang kitaran gelombang. Akibatnya, cahaya dalam kedua-dua lengan mempunyai masa perjalanan relatif yang sedikit berbeza. Apabila kedua-dua pancaran digabungkan semula, hubungan fasanya berubah dan fotopengesan merekodkan perubahan keamatan cahaya.

Penerangan “laser sebagai pembaris” berguna tetapi tidak lengkap. LIGO menjelaskan bahawa walaupun gelombang graviti turut mempengaruhi cahaya, isyarat interferometer boleh difahami melalui perbezaan masa ketibaan fasa cahaya daripada kedua-dua lengan. Dalam pengertian ini, cahaya juga bertindak seperti jam yang sangat tepat.

Bagaimanakah kita tahu isyarat itu bukan lori atau gempa kecil?

Kepekaan yang tinggi membawa masalah besar, kerana banyak perkara selain gelombang graviti boleh menggerakkan cermin atau mempengaruhi bacaan. Antaranya ialah getaran tanah, hingar terma dalam cermin dan sistem gantungan, cahaya terserak, hingar laser, elektronik serta turun naik statistik foton. LIGO menggunakan sistem pengasingan seismik, vakum ultra tinggi, kawalan laser dan pelbagai teknik lain untuk mengurangkan gangguan tersebut.

Satu lagi pertahanan penting ialah mempunyai pengesan yang berjauhan. LIGO mempunyai interferometer di Hanford, Washington dan Livingston, Louisiana. Isyarat astrofizik boleh muncul pada kedua-duanya dengan perbezaan masa yang konsisten dengan perambatan gelombang, sedangkan banyak gangguan tempatan hanya berlaku pada satu tapak. Namun dua isyarat yang serupa tidak secara automatik membuktikan gelombang graviti. Data turut diperiksa terhadap hingar instrumen dan dibandingkan dengan bentuk gelombang yang diramalkan oleh relativiti am.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?