Friday, May 3, 2013

Menguji Teori Relativitas Umum Einstein

Kita mungkin sangat mengenal teori Newton mengenai gravitasi, dan kita mungkin memahaminya dengan cukup baik.



Semua yang memiliki massa (atau energi) akan menarik/ditarik oleh sesuatu yang lain yang juga memiliki massa atau energi. Ini menjelaskan segala sesuatu dari benda yang jatuh, orbit planet hingga pembentukan struktur terbesar di kosmos.


Namun, gambaran/model yang diberikan oleh Newton itu hanyalah sebuah perkiraan dari apa yang (kini diketahui) adalah kebenaran yang lebih mendasar. Gagasan bahwa benda merasakan gaya gravitasi dan mengalami percepatan dalam menanggapinya, yaitu mereka jatuh, sangat dikenal baik dalam  pengalaman kita bersama, dan itu sangat menggoda untuk menggambarkan semua interaksi gravitasi dalam bentuk-bentuk tersebut. Dan kenyataannya itu adalah pemahaman kita terbaik selama berabad-abad, berkat karya Isaac Newton.


Tetapi jika kita melakukan pemodelan seperti yang Newton gambarkan, kita akan kehilangan beberapa bagian kecil yang sangat penting dari relativitas Einstein. Secara khusus, revolusi terbesar yang datang bersama dengan karya Einstein adalah gagasan bahwa ruang dan waktu adalah suatu kontinuum yang tak terpisahkan - ruang-waktu - (bukan entitas yang saling independen) yang bentuknya sendiri menentukan lintasan semua benda, bermassa dan tidak bermassa , yang ada di dalamnya.


Selain itu, bentuk (atau kelengkungan) ruang-waktu ditentukan oleh keberadaan dan distribusi semua materi dan energi yang ada dalam ruang-waktu itu sendiri! Ketika kita memiliki sistem yang ideal, seperti massa yang sangat besar yang diorbit pada jarak yang besar oleh massa yang jauh lebih kecil, gravitasi Newton - gambaran Newton mengenai gaya dan percepatan - adalah pendekatan yang sangat baik.

Tetapi bahkan perkiraan yang sangat baik memiliki keterbatasan.


Salah satu kesimpulan yang luar biasa dalam gambaran Newton tentang gravitasi adalah bahwa setiap massa kecil yang mengorbit massa yang jauh lebih besar akan berputar mengelilinginya dalam lintasan elips dan akan sama persis setiap revolusi. Saat Kepler menemukan bahwa planet-planet itu, pada kenyataannya, mengelilingi matahari dalam orbit yang elips, fenomena ini tidak dapat dijelaskan sampai hukum gravitasi Newton datang. Tapi, seperti yang AMJG telah katakan diatas, meskipun gambaran ini adalah salah satu gambaran yang sangat baik untuk tata surya kita, ini hanyalah pendekatan atau aproksimasi.


Pada kenyataannya, semua planet gagal untuk membentuk elips tertutup di orbit mereka jika berada didekat Matahari. Yang cukup menarik, semakin dekat jarak kita dengan massa yang besar, semakin kita kehilangan orbit terakhir. Hal ini karena ruang-waktu sebenarnya melengkung lebih parah (lebih besar) saat kita semakin dekat dengan massa yang lebih besar, dan di mana kelengkungan ruang-waktu lebih parah, di situlah, prediksi non-Newtonian Relativitas Umum ikut bermain.


Salah satu prediksi yang lebih spektakuler Relativitas Umum - kontras dengan gravitasi Newton - adalah bahwa tidak hanya orbit yang gagal untuk tertutup, tapi selama rentang waktu cukup lama, mereka benar-benar akan meluruh. Ya, jika kita menunggu cukup lama, semua planet dalam tata surya akhirnya akan berspiral ke dalam menuju pusat tata surya kita, di mana mereka akan dilahap (atau, untuk kalimat yang kurang menakutkan, di mana mereka akan bergabung) dengan massa di besar di pusat tata surya kita.


Jangan takut dengan ini,butuh waktu sekitar 10150 tahun untuk hal ini terjadi, jauh lebih lama dari rentang hidup setiap bintang di alam semesta. Tapi itu hanya karena semua planet begitu jauh dari Matahari. Namun ini juga berarti jika kita dapat menemukan sebuah sistem di mana sebuah massa mengorbit lebih dekat dengan massa yang dominan dalam sistem tersebut, kita harus dapat menguji prediksi relativistik ini, dan melihat apakah, pada kenyataannya, orbit nya akan meluruh, dan apakah laju peluruhan orbit pada tingkat yang diprediksi oleh teori Einstein atau tidak.


Untuk menguji ini, sebuah bintang seperti Matahari tidak akan praktis untuk dilaksanakan pengujian, karena alasan sederhana yaitu terlalu besar! Tetapi jika kita memiliki sebuah benda yang semasif Matahari, tapi dengan ukuran kurang lebih sebesar gunung, kita akan dapat melakukan pengujian. Untungnya bagi kita, di lingkungan galaksi kita sendiri dipenuhi dengan obyek-obyek yang semasif matahari dan ukurannya hanya sebesar gunung, yaitu: bintang neutron!


Obyek-obyek ini adalah inti sisa dari bintang supermasif yang meledak dalam supernova Tipe II, tetapi tidak cukup besar untuk runtuh ke dalam lubang hitam. Salah satu bintang neutron paling masif yang diketahui adalah PSR J0348+0432, yang massanya sekitar dua kali massa Matahari, tetapi diameternya hanya sekitar 20 kilometer . Untuk sebuah bintang neutron,  PSR J0348+0432 ini luar biasa untuk tiga alasan:

1. PSR J0348+0432 adalah sebuah pulsar, yang berarti bahwa, selain berputar, bintang ini mengirimkan dua berkas emisi gelombang radio dari kutub-kutubnya. Kita cukup beruntung bahwa berkas emisi ini mengarah langsung pada kita, (ini sangat langka). 25-kali-per-detik, kami menerima pulsa sangat teratur dari bintang neutron ini, yang diamati dengan teleskop radio.

2. PSR J0348+0432 ada dalam sistem biner, yang berarti bahwa ada massa lain yang mengorbit. Ini adalah kasus yang sangat khusus untuk relativitas Einstein, karena kita tidak akan hanya memiliki precessing orbit elips, tetapi juga kerusakan orbital dan (suatu hari nanti kita bisa mendeteksinya) radiasi gravitasi.

3. Dan akhirnya, bahwa massa lainnya adalah bintang katai putih, objek yang juga sangat kecil bermassa seperti Matahari tetapi seukuran bumi, yang begitu dekat dengan bintang neutron dan melengkapi orbitnya setiap 2,5 jam, yang berarti bahwa seluruh orbit dari kerdil putih di sekitar bintang neutron akan muat di dalam Matahari!

Berikut ini adalah simulasi dari apa yang telah dan akan terjadi pada bintang katai putih dan bintang neutron yang saling mengorbit .

video

Wow. Sekarang, jangan salah, peluruhan orbit gravitasional telah diamati dengan baik selama beberapa dekade, bahkan menghasilkan Hadiah Nobel.


Tapi belum pernah ada sistem yang ditemukan di mana peluruhan gravitasional terjadi secepat ini, atau di mana kita bisa mempelajari ruang-waktu yang sangat melengkung seperti ini. Dengan kata lain, ini adalah wilayah baru bagi relativitas, dan salah satu uji terkuat yang pernah dilakukan! Ingin tahu apa yang telah ditemukan dari hasil uji ini?


Periode orbit dari sistem biner ini berubah secara kumulatif delapan mikrodetik per tahun, ini sangat tepat dan sesuai dengan prediksi Einstein! Ini benar-benar luar biasa, karena banyak teori alternatif pesaing serius teori relativitas Einstein memiliki prediksi yang jauh lebih besar di daerah ruang-waktu yang sangat melengkung, dengan hasil pengamatan ini teori-teori itu otomatis tertolak!

Jadi jika Anda sudah bertanya-tanya apa yang Einstein dan Relativitas Umum telah lakukan untuk kita akhir-akhir ini, inilah jawabannya: Dalam kondisi yang paling ekstrim yang pernah diuji, di mana kelengkungan ruang-waktu lebih kuat daripada sistem yang pernah kita uji sebelumnya, prediksi Relativitas Umum persis sama dengan efek yang (susah payah) diamati.

Sejauh ini teori relativitas umum einstein lulus semua uji yang telah dilakukan, dan alam semesta sejauh ini selalu sesuai dengan teori ini.....


Wallahualam

Popular Posts