Rainer Weiss: 50 tahun LIGO dan gelombang gravitasi

Rendah hati, sederhana, dan antusias mendiskusikan penelitiannya, fisikawan Rainer Weiss sangat mudah diajak bicara. Lima tahun lalu, pekerjaannya menghasilkan setengah dari penghasilannya Hadiah Nobel Fisika 2017, dengan separuh lainnya diberikan kepada Barry Barish dan Kip Thorne, atas “kontribusi yang menentukan pada detektor LIGO dan pengamatan gelombang gravitasi”. Yang berbasis di AS Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser (LIGO) Di sinilah gelombang gravitasi pertama kali diamati pada tahun 2015, yang secara pasti mengkonfirmasi prediksi terakhir yang belum teruji dari teori relativitas umum Albert Einstein yang berusia seabad.

Meskipun meramalkan keberadaan mereka, Einstein sendiri meragukan bahwa gelombang ini akan dapat diamati karena gelombang tersebut sangat lemah. Ide terobosan Weiss dalam menggunakan interferometri laser akhirnya mewujudkan hal tersebut pengamatan pertama – gelombang gravitasi yang dipancarkan dari penggabungan dua lubang hitam, 1.3 miliar tahun cahaya dari Bumi – dan masih banyak lagi yang telah dideteksi LIGO. Butuh upaya puluhan tahun dari Weiss, rekan-rekan Nobelnya, dan banyak pihak lainnya, dan penemuan ini mewakili puncak dalam fisika yang juga mengantarkan era baru dalam astronomi. Sejak munculnya astronomi observasional, kita telah memindai alam semesta terutama dengan mengamati cahaya tampak, kemudian gelombang elektromagnetik berspektrum luas. Kini gelombang gravitasi mampu memberikan cara baru untuk menyelidiki banyak fenomena kosmik. Hanya tujuh tahun setelah lahirnya astronomi gravitasi, ia telah menghasilkan banyak pengetahuan baru yang berharga.

Dari Nazi Jerman hingga AS, melalui Praha

Masing-masing dari tiga peraih Nobel mengikuti jejaknya masing-masing menuju kesuksesan ini. Jalur Weiss menunjukkan bagaimana fisikawan eksperimental yang berbakat terbentuk, bagaimana ide-ide ilmiah baru dapat muncul dari arah yang tidak terduga, dan betapa ketekunan diperlukan untuk mewujudkan eksperimen fisika skala besar.

Weiss lahir di Berlin, Jerman pada tanggal 29 September 1932, pada masa Nazi berkuasa. Ayah Weiss, Frederick, yang digambarkan Rainer sebagai “seorang komunis yang bersemangat dan idealis” sejak usia muda, adalah seorang dokter. Sebagai seorang Yahudi dan komunis anti-Nazi, yang pernah bersaksi melawan seorang dokter Nazi yang dituduh melakukan malpraktek, Frederick ditahan oleh Nazi ketika ibu Rainer, Gertrude, sedang mengandung dia. Atas perintah istrinya yang beragama Kristen, yang keluarganya memiliki kontak lokal, Frederick dibebaskan dan dikirim ke Praha. Setelah Rainer lahir, Gertrude bepergian dengan bayinya yang baru lahir untuk bergabung dengan Frederick di Cekoslowakia, di mana pasangan itu memiliki anak lagi, Sybille, pada tahun 1937.

Namun ketika Perjanjian Munich tahun 1938 mengizinkan pasukan Jerman memasuki Cekoslowakia, keluarga tersebut harus melarikan diri sekali lagi. “Kami mendengar keputusan tersebut di radio saat berlibur di Slovakia dan bergabung dengan sekelompok besar orang yang menuju Praha untuk mencoba mendapatkan visa untuk beremigrasi ke hampir semua tempat lain di dunia yang menerima orang Yahudi,” kenang Rainer dalam biografi Nobelnya. . Keluarga tersebut pindah ke AS pada tahun 1939. Berdasarkan undang-undang imigrasi pada saat itu, hal ini hanya mungkin terjadi karena profesi Frederick dan karena seorang “wanita yang sangat luar biasa” begitu Weiss memanggilnya, dari keluarga filantropis Stix di St Louis, mengirimkan sebuah obligasi. untuk menjamin bahwa keluarga Weisses tidak akan menjadi beban bagi masyarakat.

Weiss dibesarkan di New York City, tempat dia awalnya bersekolah di sekolah umum. Di kelas lima, ia menerima beasiswa melalui organisasi bantuan pengungsi setempat untuk bergabung Sekolah Tata Bahasa Columbia – sebuah sekolah swasta di pertengahan Manhattan, yang pernah dikaitkan dengan persiapan siswa Columbia University. Musik, sains, dan sejarah adalah mata pelajaran favoritnya, dan saat remaja ia membangun sistem audio dengan fidelitas tinggi atau “hi-fi” khusus untuk pecinta musik klasik.

Ketertarikan dan keingintahuannya sendiri akhirnya membawanya pada fisika. Untuk mencari reproduksi suara yang sempurna, Weiss mencoba menghilangkan secara elektronik kebisingan latar belakang yang dihasilkan oleh jarum fonograf saat bergerak sepanjang alur dalam rekaman kuno, yang merusak musik. Namun usahanya gagal dan dia memutuskan untuk kuliah agar bisa belajar cukup untuk memecahkan masalahnya. Pendidikan itu dimulai pada Massachusetts Institute of Technology (MIT) di 1950.

Elektronik ke fisika, melalui jalan memutar

Sebagai jurusan teknik elektro di MIT, Weiss diharapkan mempelajari tentang generator dan saluran transmisi sebelum ia dapat mempelajari bidang elektronika yang benar-benar diminatinya. Rencana yang kaku ini tidak sesuai dengan seleranya, jadi pada tahun kedua ia beralih ke fisika, karena “persyaratannya lebih sedikit” dan kurikulumnya lebih fleksibel. Namun hal itu tidak serta merta berhasil. Pada tahun 1952, Weiss jatuh cinta dengan seorang wanita muda, seorang pianis. Hubungan itu tidak berakhir dengan baik, dan karena patah hati, Weiss gagal dalam semua mata kuliahnya dan harus meninggalkan MIT.

Tetapi tidak semuanya hilang. Pada musim semi tahun 1953, dia kembali ke MIT sebagai teknisi yang bekerja di Laboratorium Berkas Atom fisikawan Jerrold Zacharias, yang mengembangkan jam atom pertama. “Ilmu pengetahuan yang dilakukan di laboratorium itu sungguh luar biasa,” kenang Weiss. “Eksperimen di sana mengamati sifat-sifat atom dan molekul tunggal yang terisolasi dan tidak terganggu oleh sistem di sekitarnya. Setiap atom sama dengan atom berikutnya dan kita dapat mengajukan pertanyaan mendasar tentang strukturnya dan interaksi yang menyatukannya.” Apa yang dimulai sebagai peran membantu mahasiswa pascasarjana dengan proyek tesis mereka akhirnya membawa Weiss bekerja secara langsung dengan Zacharias dalam mengembangkan jam berkas atom cesium, yang pada akhirnya akan terus berlanjut diadopsi sebagai standar waktu untuk Biro Standar (sekarang Institut Standar dan Teknologi Nasional) dan Angkatan Laut AS.

Di bawah bimbingan Zacharias, Weiss menyelesaikan tugasnya gelar sarjana fisika, kemudian gelar PhD pada tahun 1962, dan belajar tentang eksperimen presisi tinggi, benang merah utama yang mengarah pada LIGO. Tema kunci selanjutnya muncul ketika Weiss bekerja sebagai peneliti di bawah astronom dan fisikawan Robert Dicke di Universitas Princeton, yang Weiss sebut sebagai “salah satu pahlawan dalam hidupku”. Dicke dan Weiss berupaya mengembangkan versi modern dari Eksperimen Eötvös, untuk memahami prinsip kesetaraan relativitas umum dengan membuktikan kesetaraan massa inersia dan gravitasi. Ketika teori gravitasi Dicke yang baru menggabungkan medan skalar dengan medan tensor relativitas umum, idenya adalah membuat eksperimen yang dapat mengukur bagaimana seluruh bumi akan bergetar, jika gelombang gravitasi lewat. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengukur spektrum radiasi gravitasi skalar, tetapi mereka menemukan bahwa sensitivitas gravimeter kuarsa sangat terbatas karena kebisingan geofisika. Meskipun penelitiannya tidak berhasil, Weiss mempelajari teknik eksperimental yang dirintis Dicke, dan pada akhirnya terbukti penting untuk LIGO, dan banyak eksperimen fisika lainnya juga. Memang benar, Weiss menyadari bahwa dua tahun di Princeton “sangat penting dalam perkembangan ilmiah saya”.

Setelah bergabung dengan fakultas fisika MIT sebagai asisten profesor pada tahun 1964, Weiss mengerjakan proyek kosmologi yang mengukur spektrum latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), peninggalan Big Bang yang masih memenuhi alam semesta. Dia berkontribusi pada penelitian yang menetapkan bahwa CMB mengikuti kurva benda hitam yang hampir sempurna dengan suhu sumber 2.7K – penemuan yang mengarah pada a Hadiah Nobel 2006 untuk ilmuwan terkemuka, John Mather dan George Smoot.

Mengukur gravitasi di ruang kelas

Weiss terus memikirkan tentang gelombang gravitasi, terutama ketika dia diminta untuk mempresentasikan mata kuliah relativitas umum di MIT. Ini tidaklah mudah. Matematika relativitas umum sangatlah menakutkan, dan mata pelajaran yang mengajarkan subjek tersebut lebih bersifat matematis daripada fisika. Saat membahasnya hari ini, Weiss berkata, “Saya bukan ahli teori. Saya seorang tukang ledeng…tukang ledeng vakum, tukang ledeng elektronik, tapi tukang ledeng.” Jadi dia dan murid-muridnya belajar matematika bersama – namun, tanpa diduga, latar belakang eksperimennya menjadi sangat signifikan.

Seperti yang dijelaskan Weiss, saat itu Joseph Weber dari Universitas Maryland mencoba mendeteksi gelombang gravitasi dengan mengukur perubahan panjang silinder aluminium besar seiring dengan sapuan gelombang. Ketika para siswa bertanya kepada Weiss tentang pengukuran seperti itu, dia memberikan jawaban yang pedagogis pikiran percobaan untuk menunjukkan secara prinsip bagaimana hal itu dapat dibuat. Letakkan dua massa pada jarak tertentu di ruang bebas, satu dengan laser berdenyut dan yang lainnya dengan cermin. Sekarang ukur waktu tempuh sinar laser pulang pergi – dan juga jaraknya. Jika gelombang gravitasi yang lewat mengubah jarak, pengukuran waktu yang cukup tepat akan menunjukkan pengaruhnya. Karena semua pengukuran dilakukan di lokasi ruang-waktu laser, penghitungan relativitas umum menjadi mudah – bahkan, Weiss menugaskannya sebagai soal kelas.

Deteksi gelombang gravitasi yang diklaim Weber pada tahun 1969 tidak pernah ditiru, namun contoh yang diilhami karyanya berkembang menjadi LIGO. Weiss menyempurnakan ide aslinya dengan menambahkan jalur sinar kedua dengan cermin di salah satu ujungnya, dipasang tegak lurus ke jalur pertama dalam bentuk "L" dengan pemisah sinar di persimpangannya. Ini adalah interferometer Michelson, yang melakukan pengukuran kecepatan cahaya yang sangat presisi pada eksperimen Michelson-Morley tahun 1887 dan juga spektrum CMB. Dalam relativitas umum, gelombang gravitasi yang bergerak tegak lurus terhadap bidang lengan akan memanjangkan salah satu lengan dan mengecilkan lengan lainnya, sehingga mengubah cara gelombang cahaya di kedua lengan saling berinterferensi. Hal ini, simpul Weiss, akan jauh lebih sensitif dibandingkan mengukur waktu perjalanan sepanjang satu jalur.

Weiss ingat bagaimana pada musim panas tahun 1971 dia “duduk di sebuah ruangan kecil menghitung semua hal yang akan mengganggu eksperimen itu” termasuk sumber kebisingan. Hasilnya luar biasa: dengan lengan yang panjangnya beberapa kilometer, perubahan jarak sekecil 10 bisa diukur^-18 m – hampir seperseribu ukuran proton – seiring dengan lewatnya gelombang gravitasi yang menekan ruang hingga menyebabkan tegangan sebesar 10^-21.

Test bed dan observasi pertama

Beberapa rekan Weiss skeptis terhadap gelombang gravitasi namun dia terus mengembangkan idenya. Ia menerima verifikasi eksperimental ketika interferometer uji kecil yang dibangun di laboratoriumnya dan oleh kelompok Jerman menghasilkan perhitungannya. Dukungan yang lebih luas datang setelah tahun 1975, ketika Weiss berhubungan kembali dengan seorang kenalan dari masanya di Princeton, Fisikawan teoretis Caltech, Kip Thorne. Melihat potensi penelitian gelombang gravitasi, Thorne memperjuangkan gagasan Weiss di Caltech. Pada tahun 1979 National Science Foundation mendanai Caltech dan MIT untuk melakukan studi kelayakan deteksi interferometri. Pada tahun 1990, mereka mendukung LIGO sebagai operasi Caltech-MIT dengan hibah terbesar yang pernah diberikan. Hal ini memungkinkan pembangunan detektor identik dengan lengan sepanjang 4 km Hanford, Washington dan Livingston, Louisiana, untuk studi kebetulan guna mengonfirmasi penampakan apa pun. Ini menggabungkan banyak konsep teknis yang dikembangkan oleh fisikawan eksperimental Ronald Drever dari Caltech.

Setelah LIGO mulai beroperasi pada tahun 2002, ia mencapai sensitivitas yang diperkirakan, namun selama sembilan tahun, tidak ada gelombang gravitasi yang terdeteksi. Perangkat tersebut kemudian ditingkatkan secara signifikan, dengan isolasi yang lebih baik dari sumber kebisingan, sehingga menghasilkan “LIGO tingkat lanjut” (aLIGO) lebih dari lima tahun kemudian. Dengan sensitivitas ditingkatkan 10 kali lipat, aktif 14 September 2015, aLIGO melakukan pengamatan pertama terhadap gelombang gravitasi yang datang dari dua lubang hitam yang bergabung – sebuah penemuan ajaib karena mesin tersebut masih dikalibrasi untuk pengoperasian resmi pertama (Dunia Fisika 2017; 30 (10) 33).

Beberapa tahun kemudian, pada 17 Agustus 2017, aLIGO melakukan pengamatan pertama terhadap gelombang gravitasi dari dua bintang neutron yang bergabung (detektor gelombang gravitasi Virgo di Italia juga berpartisipasi). Ini bukanlah peristiwa yang terisolasi. Pada akhir observasi terakhirnya, yang selesai pada akhir tahun 2021, aLIGO telah melaporkan total 90 pengamatan penggabungan dua lubang hitam (mayoritas), dua bintang neutron, atau satu lubang hitam dan satu bintang neutron. 

Melihat ke belakang, melihat ke depan

Saat merenungkan tujuh tahun pertama astronomi gravitasi, Weiss sangat gembira. “Saya pikir LIGO telah meraih kesuksesan yang luar biasa,” katanya, seraya memuji secara khusus cara LIGO memvalidasi relativitas umum dan astrofisika lubang hitam. Hasil LIGO menunjukkan bahwa kita memahami lubang hitam dengan cukup baik untuk memprediksi detail interaksi dua benda di dalamnya, yang dalam relativitas umum sama sulitnya untuk dihitung seperti permasalahan tiga benda dalam fisika klasik. Hasil lainnya adalah katalog LIGO tentang interaksi antara lubang hitam dengan massa berbeda-beda, yang memberikan petunjuk bagaimana lubang hitam tersebut bisa terbentuk menjadi lubang hitam supermasif di pusat galaksi.

Weiss juga menyebutkan satu peristiwa tertentu yang “menyebabkan kehebohan terbesar [dan] menghasilkan begitu banyak ilmu pengetahuan sehingga sulit dipercaya”. Tabrakan dua bintang neutron yang diamati pada tahun 2017 juga menghasilkan radiasi elektromagnetik, mulai dari sinar gamma hingga gelombang radio, yang dilacak oleh observatorium di seluruh dunia (lihat "Seorang utusan kosmik baru” oleh Imre Bartos). Contoh utama astronomi “multi-messenger” ini menghasilkan lokasi yang tepat untuk peristiwa tersebut; menunjukkan bahwa interaksi tersebut menghasilkan emas dan platinum, memberikan wawasan baru tentang bagaimana bintang membuat unsur berat; menegaskan bahwa gelombang gravitasi bergerak persis dengan kecepatan cahaya; dan memberikan cara baru untuk mengukur konstanta Hubble dan mungkin menghilangkan ketidakpastian saat ini mengenai nilainya.

Antusiasme Weiss semakin bertambah ketika ditanya tentang masa depan astronomi gravitasi. Salah satu komponennya adalah Interferometer Penjelajah Kosmik, disarankan oleh Matthew Evans dan Narcissus Mavalvala di MIT. Weiss sangat mendukung perangkat generasi berikutnya ini, yang lengannya sepanjang 40 km akan membuatnya 10 kali lebih sensitif daripada LIGO yang canggih. Ilmuwan Eropa sedang mempertimbangkan bentuk segitiga Teleskop Einstein dengan lengan sepanjang 10 km, dan Badan Antariksa Eropa mengusulkan peluncuran berbentuk segitiga Antena Luar Angkasa Interferometer Laser (LISA) pada tahun 2030-an. Tiga pesawat ruang angkasanya – yang berjarak 2.5 juta km dan membawa laser serta cermin – akan membentuk detektor yang sangat sensitif.

Setiap detektor akan merespons frekuensi gelombang gravitasi yang berbeda, yang bergantung berbanding terbalik dengan massa benda yang memancar. Sama seperti astronomi biasa yang menggunakan bagian spektrum elektromagnetik yang berbeda untuk mempelajari berbagai fenomena langit, maka kita mulai melihat observatorium gravitasi yang dirancang untuk mendeteksi berbagai kelas peristiwa gravitasi. Untuk lubang hitam, kemungkinannya berkisar dari mencari lubang hitam primordial hipotetis hingga memahami bagaimana lubang hitam supermasif terkait dengan pembentukan galaksi. Gelombang gravitasi dari penggabungan bintang-bintang neutron akan memperdalam pengetahuan kita tentang evolusi bintang dan materi nuklir padat. Mereka mungkin juga muncul dari pulsar untuk melengkapi apa yang diungkapkan oleh gelombang elektromagnetik tentang mereka. Secara lebih spekulatif, beberapa peneliti berpendapat bahwa metode multi-messenger mungkin menunjukkan apakah lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita benar-benar merupakan salah satu ujung lubang cacing.

Hal yang paling menarik bagi Weiss tentang detektor yang akan datang ini adalah bahwa mereka dapat “menghasilkan ilmu pengetahuan yang spektakuler dengan membawa bidang ini ke dalam kosmologi, studi tentang seluruh alam semesta.” Seperti yang dia jelaskan, ahli teori Rusia Alexei Starobinskiǐ telah menunjukkan bahwa jika fluktuasi vakum memulai kosmos, maka ketika alam semesta mengalami inflasi kosmik yang cepat, percepatan yang tak terbayangkan akan menghasilkan banyak gelombang gravitasi berfrekuensi rendah. Seperti radiasi latar kosmik, radiasi ini akan membentuk sisa latar belakang universal, namun berasal dari masa yang sangat dekat dengan Big Bang dan membawa informasi baru tentang proses awal seperti penciptaan materi gelap. Gelombang ini akan sulit dideteksi, namun para peneliti merencanakan kombinasi detektor berbasis darat dan luar angkasa yang akan menjadi alat baru untuk menjawab beberapa pertanyaan besar dalam fisika, astronomi, dan kosmologi.

Namun ketika dia merenungkan karir panjangnya dan penelitiannya di masa depan, Weiss tidak ingin menyimpulkan dengan mengatakan “Saya bukan tipe pria seperti itu.” Mungkin mengecewakan jika kita tidak mendapatkan hasil akhir, tapi kemudian, dalam komitmennya selama puluhan tahun untuk sukses membangun LIGO, dalam visinya untuk lebih memajukan ilmu gelombang gravitasi, dan dalam hasratnya yang menular terhadap keduanya, Rainer Weiss telah dengan fasih mengatakan semua yang perlu dia katakan.