Big Bang: Bagaimana Kami Mencoba “Mendengarkannya”—Dan Fisika Baru yang Dapat Diungkapkannya

Apa yang sebenarnya terjadi di awal alam semesta, 14 miliar tahun yang lalu, adalah salah satu misteri terbesar dalam fisika – tidak ada cara sederhana untuk membuktikannya. Ini karena alam semesta, pada tahap awal, dipenuhi dengan plasma padat – gas yang terbuat dari partikel bermuatan termasuk elektron dan proton (partikel yang membentuk inti atom bersama dengan neutron). Foton (partikel cahaya) terperangkap dalam campuran, memantul dari partikel lain dengan kuat, tanpa jalan keluar.

Dengan alam semesta yang mengembang dan berkurang kepadatannya, foton akhirnya bisa lepas dan cahaya mulai bergerak bebas. Peristiwa ini, yang terjadi 380.000 tahun setelah Big Bang, yang disebut “rekombinasi,” memicu potret pertama asal alam semesta – latar belakang gelombang mikro kosmik – yang kita amati dengan teleskop. Sebagian besar dari apa yang kita ketahui tentang alam semesta awal didasarkan pada radiasi sisa dari big bang ini. Tapi rekombinasi bekerja seperti dinding: kita tidak bisa menyelidiki era masa lalu secara langsung dengan teleskop, karena cahaya terperangkap pada saat itu.

Banyak proyek sekarang mencoba mendengarkan big bang menggunakan gelombang gravitasi – riak dalam struktur ruang-waktu. Proyek baru kami bertujuan untuk mendeteksi gelombang seperti itu pada frekuensi yang sangat tinggi dan dapat mengarah pada penemuan fisika yang sama sekali baru.

Penemuan terbaru gelombang gravitasi, riak dalam struktur ruang-waktu, melalui eksperimen Ligo/Virgo, telah membuka jendela baru untuk mengamati alam semesta. Hal ini memungkinkan kita untuk menyelidiki fenomena di mana gravitasi, bukan cahaya, adalah pemancar. Gelombang gravitasi yang terdeteksi sejauh ini disebut gelombang gravitasi astrofisika – dan disebabkan oleh proses fisik yang relatif baru, seperti penggabungan lubang hitam.

Jenis gelombang yang mungkin dihasilkan di alam semesta awal disebut gelombang gravitasi kosmik dan belum ditemukan. Gelombang ini bergerak bebas setelah diproduksi; Mereka bertindak seperti hantu yang dapat melewati dinding rekombinasi dan menyediakan alat unik untuk menjelajahi alam semesta awal. Sementara gelombang gravitasi astrofisika datang dari arah tertentu di langit, gelombang kosmik mencapai kita dari segala arah yang mungkin, konsisten dengan berbagai daerah tempat gelombang itu dihasilkan di masa lalu. Ini membuatnya sangat sulit untuk dideteksi.

Tetapi hadiah untuk dapat mendeteksi gelombang gravitasi kosmik akan sangat besar: banyak fenomena yang berpotensi bencana di alam semesta awal dapat menghasilkannya. Pemanasan awal, misalnya, dapat dianggap sebagai serangkaian ledakan di mana energi ditransfer dari partikel yang tidak diketahui yang mendorong inflasi – era ledakan volume alam semesta – ke partikel yang dijelaskan dalam Model Standar fisika partikel hari ini. Ini terjadi ketika alam semesta berumur sepersekian detik, tepat setelah akhir inflasi. Mungkin juga alam semesta berubah keadaan beberapa kali (seperti halnya air saat mendidih) selama detik pertama: peristiwa seperti itu disebut transisi fase.

Proses yang melibatkan partikel yang sampai sekarang belum ditemukan seperti akson (yang mungkin membentuk materi gelap) juga dapat menghasilkan gelombang. Jadi jika gelombang gravitasi kosmik terdeteksi, mereka bisa memberi kita informasi penting tentang apa yang terjadi di awal waktu.

Detektor gelombang gravitasi saat ini dan yang direncanakan berfokus pada frekuensi tinggi versus frekuensi rendah sebagian besar pada frekuensi rendah, di mana keberadaan sinyal astrofisika dijamin. Ini juga bisa mencari gelombang gravitasi kosmik dan akan mampu menyelidiki sinyal yang dihasilkan ketika alam semesta masih sangat muda, kecuali saat-saat pertama setelah inflasi.

Ini karena panjang gelombang dari gelombang yang dihasilkan sebanding dengan “ukuran” alam semesta (yaitu mengembang). Semakin awal diproduksi, semakin kecil panjang gelombang yang sesuai – dan semakin tinggi frekuensinya. Era segera setelah berakhirnya inflasi adalah apa yang ingin kami selidiki melalui proyek baru kami. Ini mencakup saat-saat ketika kita dapat melihat bukti nyata untuk beberapa teori alam yang paling menakjubkan, seperti teori string.

Sumber potensial lainnya dapat menghasilkan gelombang gravitasi frekuensi tinggi di alam semesta modern. Contohnya termasuk objek misterius yang disebut boson (bintang yang terbuat dari partikel dasar yang disebut boson) atau “lubang hitam purba”, yang mungkin merupakan materi gelap. Keduanya adalah entitas hipotetis yang diyakini ada dan tidak pernah diperhatikan.

Sebagian besar sinyal frekuensi tinggi segera merujuk pada partikel atau fenomena yang tidak dapat dijelaskan dalam Model Standar fisika partikel dan Model Standar kosmologi, deskripsi terbaik kami tentang alam. Jadi penemuan ini akan menjelaskan beberapa masalah yang belum terpecahkan di alam semesta kita, seperti pembentukan materi gelap dan asal mula inflasi.

Mesin kecil Ada dua keuntungan nyata dari detektor frekuensi tinggi. Pertama, karena ukuran detektor sebanding dengan panjang gelombang yang akan diperiksa, detektor gelombang gravitasi frekuensi tinggi akan jauh lebih kecil (dan lebih murah) daripada frekuensi rendah. Lengan Ligo, misalnya, panjangnya empat kilometer. Kami bermimpi mendengar suara Big Bang dengan detektor yang pas di dapur kami. Semoga ini berhasil – pada frekuensi yang lebih tinggi, sinyal latar belakang astrofisika tidak mengganggu apa yang ingin kita ukur.

Namun, sulit untuk mendeteksi gelombang gravitasi frekuensi tinggi. Percobaan seperti Ligo mencari perbedaan jarak antara dua cermin, karena lewatnya gelombang gravitasi, sama dengan sebagian kecil dari ukuran inti atom. Karena detektor gelombang gravitasi frekuensi tinggi lebih kecil, kontras yang akan dideteksi akan lebih kecil.

Dengan teknologi kami yang tersedia saat ini, kami sudah dapat mendeteksi perbedaan menit dalam rentang frekuensi yang lebih tinggi (walaupun kami belum mendeteksi gelombang gravitasi apa pun). Tapi kita perlu memperbaikinya sedikit lagi untuk mendeteksi gelombang gravitasi dari alam semesta awal. Mendukung perkembangan teknologi ini adalah tujuan dari proyek kami.

Pada akhirnya, kami mencoba memulai perjalanan yang menantang, seperti yang dilakukan orang-orang di tahun 1970-an ketika mereka mulai mencari gelombang gravitasi astrofisika. Butuh waktu hampir 50 tahun dan lebih dari 20 upaya, yang pada akhirnya menunjukkan bahwa kerja keras dan kesabaran membuahkan hasil.

(Cerita ini belum diedit oleh staf Devdiscourse dan dibuat secara otomatis dari feed bersama.)