Pada konferensi di Jepang beberapa tahun lalu, David Dunsky menghadiri ceramah tentang gelombang gravitasi, riak dalam struktur ruang-waktu yang tercipta ketika benda-benda masif seperti bintang dan lubang hitam berakselerasi.

Dunsky adalah seorang mahasiswa pascasarjana di bidang fisika partikel pada saat itu, dan minatnya tampaknya terletak pada hal lain. Fisikawan partikel mencari kebenaran yang lebih mendasar yang mendasari aturan fisika yang kita kenal. Mereka telah lama menggunakan penumbuk partikel berenergi tinggi untuk menguji ide-ide mereka. Dengan menghancurkan partikel-partikel dengan energi yang tak terduga, para ilmuwan ini dapat menemukan bahan penyusunnya – fenomena energi tinggi yang terjadi dalam skala jarak pendek. Fenomena tersebut juga memberi tahu kita tentang momen-momen awal alam semesta ketika masih kecil, padat, dan sangat panas.

Namun Dunsky mengetahui dari pembicaraan tersebut bahwa observatorium gelombang gravitasi masa depan seperti Laser Interferometer Space Antenna (LISA) yang diusulkan dapat digunakan untuk menyelidiki fisika energi tinggi. LISA akan mampu mendeteksi objek hipotetis yang disebut string kosmik, rangkaian energi terkonsentrasi yang sangat besar yang mungkin muncul selama kelahiran alam semesta. “Saya terpikat untuk mencoba memahami sinyal gelombang gravitasi dari alam semesta awal,” kata Dunsky, yang sekarang menjadi kosmolog dan fisikawan partikel di Universitas New York, “dan bagaimana mereka dapat memberi tahu kita tentang potensi fisika energi yang sangat, sangat tinggi. melampaui apa yang saat ini dapat kami deteksi dengan collider.”

Peralihannya ke arah gelombang gravitasi sebagai jalan maju bagi fisika partikel menunjukkan minat yang semakin besar terhadap eksperimen LISA di masa depan dan, mungkin, pergeseran yang lebih luas. Dua belas tahun telah berlalu sejak penemuan besar terakhir pada penumbuk partikel. Penemuan Higgs boson di Large Hadron Collider (LHC) pada tahun 2012 melengkapi Model Standar fisika partikel, teori utama partikel dan gaya elementer yang diketahui. Dan meskipun para ahli teori telah memikirkan banyak kemungkinan teori yang memperluas Model Standar, masih belum jelas apakah kita dapat membangun penumbuk yang mampu menguji ide-ide ini.

“Orang-orang membicarakan tentang pembuatan collider dalam 50 tahun ke depan yang 10 kali lebih kuat daripada LHC dalam hal energi,” kata Raman Sundrum, seorang ahli fisika partikel teoretis di Universitas Maryland. Namun, menguji teori-teori besar yang terpadu, yang menelusuri tiga gaya Model Standar menjadi satu gaya dasar yang beroperasi pada jarak yang lebih pendek, “tampaknya membutuhkan sebuah alat penumbuk yang memiliki energi 10 miliar kali lipat dari LHC,” katanya.

Apa yang tidak dapat kita hasilkan dalam sebuah penumbuk, mungkin dapat kita amati di alam. Secara khusus, jawabannya mungkin terletak pada gema gravitasi dari proses yang terjadi pada saat-saat pertama penciptaan, ketika alam semesta begitu energik sehingga ilmu fisika di luar Model Standar akan berkuasa.

Itulah harapan fisikawan partikel seperti Dunsky dan Sundrum, yang kini mencari LISA untuk menguji teori mereka. Konsep misi ini pertama kali dikembangkan pada awal tahun 1980an dan secara resmi diusulkan ke Badan Antariksa Eropa (ESA) pada dekade berikutnya. Proyek ini pernah dilakukan melalui kerja sama dengan NASA, namun Amerika mengundurkan diri pada tahun 2011 karena masalah anggaran, sehingga memaksa Eropa untuk melakukannya sendiri. Namun pada bulan Januari ini, LISA akhirnya mendapat izin dari ESA, yang kini mencari mitra industri untuk memulai konstruksi. Pengumuman ini muncul setelah keberhasilan besar misi percontohan LISA Pathfinder pada tahun 2015 dan 2016, yang menguji teknologi utama observatorium masa depan.

LISA kini dijadwalkan terbang pada tahun 2030-an. Selama empat tahun, susunan tiga satelitnya akan jatuh melintasi ruang angkasa dalam segitiga sama sisi yang lebarnya beberapa juta mil, memantulkan laser dari kubus emas yang disimpan dalam posisi jatuh bebas sempurna di setiap pesawat untuk merasakan riak dalam ruang-waktu.

“Untuk pertama kalinya, kita mungkin mendapatkan sesuatu secara langsung dari zaman awal” alam semesta, katanya Isabel Garcia Garcia, seorang fisikawan partikel dan kosmolog di Universitas Washington. Jika LISA benar-benar dapat menangkap gelombang gravitasi primordial, tambahnya, ini akan menjadi momen pertama kita melihat kosmos. “Dari sudut pandang fisika partikel, hal ini jelas sangat menarik.”

Lisa yang beruntung

Jika LISA berhasil mendeteksi gelombang gravitasi primordial pada dekade mendatang, hal ini disebabkan oleh keberuntungan kosmik yang luar biasa.

Tidak ada teleskop yang mampu mengungkap momen pertama penciptaan. Teleskop melihat masa lalu alam semesta dengan mendeteksi cahaya yang merambat dari jauh. Namun 380,000 tahun pertama setelah Big Bang tersembunyi di balik semacam tirai kosmik. Saat itu, alam semesta dipenuhi dengan plasma terionisasi yang menyebarkan foton, menjadikannya buram terhadap cahaya.

Tidak seperti cahaya, gelombang gravitasi dapat beriak bebas melalui alam semesta awal. Observatorium berbasis darat yang ada seperti LIGO dan Virgo mungkin tidak sensitif terhadap gelombang primordial ini. Tapi LISA mungkin bisa mendengar apa yang terjadi di atas panggung sebelum tirai kosmik terbuka.

“Ini seperti mendengar sesuatu di dalam kabut,” kata Sundrum.

Seperti observatorium gelombang gravitasi berbasis darat, LISA akan mendeteksi riak dalam ruang-waktu dengan menggunakan laser untuk mengukur secara tepat jarak sepanjang “lengannya” – dalam hal ini, garis di ruang kosong antara tiga pesawat ruang angkasa di konstelasi segitiga. Ketika gelombang gravitasi lewat, ia meregang dan menyusutkan ruang-waktu. Hal ini menciptakan sedikit perbedaan pada panjang lengan LISA, yang dapat dideteksi oleh instrumen dengan melacak ketidaksejajaran puncak dan lembah sinar lasernya. Dihilangkan dari lingkungan bumi yang bising, LISA akan jauh lebih sensitif dibandingkan interferometer yang ada seperti LIGO, yang telah digunakan untuk mendeteksi tabrakan lubang hitam dan bintang neutron. Jumlahnya juga akan jauh lebih besar; masing-masing lengannya akan berukuran hampir 400 kali lebih panjang dari jari-jari Bumi.

Meski begitu, perubahan jarak yang dirasakan LISA sangatlah kecil – sekitar 50 kali lebih kecil dari atom. “Ini konsep yang cukup gila, jika dipikir-pikir,” katanya Nora Lützgendorf, seorang ahli astrofisika di ESA dan ilmuwan proyek LISA.

Ukuran dan sensitivitas LISA akan memungkinkannya mengamati gelombang gravitasi yang jauh lebih panjang dibandingkan yang dapat diamati oleh interferometer berbasis darat. LIGO dapat merasakan gelombang gravitasi dengan panjang gelombang antara 30 dan 30,000 kilometer, namun LISA dapat mendeteksi gelombang yang panjangnya berkisar dari beberapa ratus ribu kilometer hingga beberapa miliar. Hal ini akan memungkinkan LISA mendengarkan peristiwa astrofisika yang tidak dapat “didengar” oleh observatorium di darat, seperti penggabungan lubang hitam supermasif (dibandingkan dengan lubang hitam berukuran bintang). Dan pita panjang gelombang LISA juga berukuran persis seperti yang diharapkan para fisikawan dari gelombang gravitasi yang dihasilkan pada saat-saat pertama setelah Big Bang.

Fisika energi tinggi di alam semesta awal menciptakan riak gravitasi, dan ketika alam semesta mengembang dan ruang angkasa meluas, gelombang ini meledak hingga ke dimensi yang sangat besar. LISA kebetulan sangat siap untuk menangkap gelombang yang tercipta di 10 gelombang pertama^-17 untuk 10^-10 detik setelah Big Bang — praktis pada permulaan waktu. Ujung pendek dari kisaran itu, 10^-17 detik, adalah periode yang sangat singkat sehingga dalam satu detik bisa sama banyaknya dengan detik dalam usia alam semesta.

“Ada kebetulan ini,” kata Chiara Caprini, seorang kosmolog teoretis di Universitas Jenewa dan CERN. Ada kecocokan antara “pita frekuensi pendeteksian LISA dan zaman khusus dalam evolusi alam semesta yang menandai batas depan pengetahuan kita tentang fisika partikel.”

Melampaui Model Standar

Hingga batas tersebut, Model Standar mampu menjelaskan dengan baik bagaimana kumpulan 17 partikel elementernya berinteraksi dengan tiga gaya: gaya elektromagnetik, gaya nuklir kuat, dan gaya nuklir lemah. Namun terlepas dari keberhasilannya yang luar biasa, tidak ada seorang pun yang berpikir bahwa partikel dan kekuatan ini adalah segalanya dan akhir dari segalanya.

Teori ini mempunyai kelemahan. Misalnya saja massa Higgs boson — komponen Model Standar yang menentukan massa partikel lain — adalah dengan frustrasi “tidak wajar.” Tampaknya energi ini berubah-ubah dan sangat kecil jika dibandingkan dengan skala energi yang jauh lebih besar di alam semesta. Terlebih lagi, Model Standar tidak memberikan penjelasan tentang materi gelap maupun tentangnya energi gelap misterius yang mendorong percepatan perluasan ruang. Masalah lainnya adalah antimateri dan materi berperilaku sama persis di bawah tiga gaya Model Standar — yang jelas bukan keseluruhan cerita, karena materi mendominasi alam semesta. Lalu ada gravitasi. Model Standar sepenuhnya mengabaikan gaya fundamental keempat, yang harus dijelaskan menggunakan teorinya sendiri, relativitas umum.

“Jadi banyak ahli teori seperti saya mencoba sedikit memeras Model Standar dan mencoba memperluasnya,” kata Pierre Auclair, ahli kosmologi teoretis di Universitas Katolik Louvain di Belgia. Namun tanpa bukti eksperimental yang dapat digunakan untuk mengujinya, teori-teori yang diperluas ini tetap bersifat teoretis.

Auclair adalah seorang ahli teori. “Tapi tetap saja, saya berusaha untuk dikaitkan dengan eksperimen sebanyak yang saya bisa,” katanya. Itulah salah satu alasan dia tertarik pada LISA. “Perluasan ini biasanya mengarah pada berbagai peristiwa ekstrem di alam semesta awal,” katanya.

Garcia Garcia juga mengatakan bahwa janji LISA akan bukti pengamatan fisika energi tinggi mendorongnya untuk memikirkan kembali karirnya - gelombang gravitasi dapat “menyelidiki alam semesta awal dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh eksperimen lain,” katanya. Beberapa tahun yang lalu, dia mulai mempelajari gelombang gravitasi dan bagaimana fisika di luar Model Standar akan membuat sidik jari dapat terdeteksi oleh LISA.

Tahun lalu, Garcia Garcia dan rekan-rekannya karya yang diterbitkan pada tanda gelombang gravitasi dinding gelembung - penghalang energik antara kantong-kantong ruang yang terperangkap dalam keadaan berbeda saat alam semesta mendingin. Pendinginan ini terjadi ketika alam semesta mengembang. Sama seperti air mendidih dan berubah menjadi uap, alam semesta mengalami transisi fase. Dalam Model Standar, transisi fase di mana gaya “elektrolemah” tunggal terpecah menjadi gaya elektromagnetik dan gaya lemah yang terpisah relatif mulus. Namun banyak perluasan teori yang memperkirakan peristiwa kekerasan yang membuat sup kosmik berbusa dan terganggu, kata Dunsky, yang juga mempelajari cacat topologi seperti dinding gelembung.

Medan kuantum yang menembus alam semesta kita mempunyai keadaan energi minimum, atau keadaan dasar. Dan ketika alam semesta mendingin, keadaan dasar baru yang berenergi lebih rendah berkembang, namun medan tertentu tidak selalu langsung mencapai keadaan dasar yang baru. Beberapa diantaranya terjebak dalam energi minimum lokal – keadaan dasar palsu yang hanya tampak stabil. Namun, kadang-kadang, satu bagian kecil dari alam semesta akan melakukan terowongan kuantum menuju keadaan sebenarnya, menghasilkan gelembung vakum sejati yang berkembang pesat dengan energi yang lebih rendah daripada alam semesta di luarnya.

“Gelembung ini sangat energik; mereka bergerak sangat dekat dengan kecepatan cahaya karena perbedaan tekanan antara interior dan eksterior,” kata Dunsky. “Jadi ketika mereka bertabrakan, Anda akan melihat tabrakan hebat antara dua objek yang sangat relativistik ini, mirip dengan bagaimana lubang hitam memancarkan gelombang gravitasi yang kuat tepat sebelum bertabrakan.”

Senar dan Dinding

Secara lebih spekulatif, transisi fase di alam semesta awal juga bisa menciptakan struktur yang disebut string kosmik dan dinding domain – untaian dan lembaran energi padat yang sangat besar.

Struktur ini muncul ketika keadaan dasar medan kuantum berubah sedemikian rupa sehingga terdapat lebih dari satu keadaan dasar baru, yang masing-masing sama validnya. Hal ini dapat mengakibatkan cacat energi tinggi di sepanjang perbatasan antara kantong-kantong alam semesta yang kebetulan berada pada kondisi dasar yang berbeda namun sama-sama menguntungkan.

Prosesnya mirip dengan cara batuan tertentu mengembangkan daya tarik alami saat mendingin, kata Dunsky, yang pernah melakukannya mempelajari sidik jari yang dapat diamati dari proses tersebut. Pada suhu tinggi, atom-atom berorientasi secara acak. Namun pada suhu dingin, menjadi lebih menguntungkan bagi mereka untuk menyelaraskan secara magnetis – keadaan dasar berubah. Tanpa adanya medan magnet eksternal yang mengarahkan atom-atomnya, atom-atom tersebut bebas berbaris ke arah mana pun. Semua “pilihan” sama validnya, dan domain mineral yang berbeda, secara kebetulan, akan membuat pilihan yang berbeda. Medan magnet yang dihasilkan oleh semua atom membelok secara dramatis pada batas antar domain.

Demikian pula, medan kuantum di berbagai wilayah alam semesta “harus berubah dengan cepat pada batas” domain-domain ini, katanya, sehingga menghasilkan kepadatan energi yang besar pada batas-batas ini yang “menandakan adanya dinding domain atau string kosmik.”

String kosmik dan dinding domain ini, jika memang ada, akan membentang hingga mencakup hampir seluruh alam semesta seiring dengan perluasan ruang angkasa. Benda-benda ini menghasilkan gelombang gravitasi saat kekusutan merambat di sepanjang benda tersebut dan saat loop berosilasi dan membentuk titik puncak. Namun skala energi gelombang-gelombang ini sebagian besar ditetapkan sebagai objek yang terbentuk pada momen-momen pertama alam semesta. Dan LISA dapat mendeteksinya, jika memang ada.

Gema Penciptaan

Gelombang gravitasi yang mencapai kita sejak awal alam semesta tidak akan sampai dalam bentuk yang terbungkus rapi, seperti sinyal tabrakan lubang hitam. Karena hal ini terjadi pada masa yang sangat dini, sinyal-sinyal tersebut telah tersebar ke seluruh ruang angkasa. Mereka akan bergema dari segala arah, dari setiap titik di ruang angkasa, sekaligus — sebuah dengungan gravitasi di latar belakang.

“Anda menyalakan detektor Anda, dan detektor itu selalu ada,” kata Garcia Garcia.

Pola dalam latar belakang ini mungkin “terlihat seperti kebisingan bagi kebanyakan orang,” kata Sundrum. “Tapi diam-diam, ada kode tersembunyi.”

Salah satu petunjuk penting adalah spektrum sinyal latar belakang – kekuatannya pada frekuensi yang berbeda. Jika kita menganggap sinyal gelombang gravitasi sebagai suara, spektrumnya akan menjadi plot nada versus volume. White noise yang benar-benar acak akan memiliki spektrum yang datar, kata Auclair. Namun gelombang gravitasi yang dilepaskan selama transisi fase atau dihasilkan dari string kosmik atau dinding domain akan menjadi paling keras pada frekuensi tertentu. Auclair telah bekerja untuk menghitung tanda spektral string kosmik, yang mengeluarkan gelombang gravitasi pada panjang gelombang karakteristik ketika kekusutan dan putarannya berevolusi. Dan Caprini studi bagaimana transisi fase yang hebat akan meninggalkan bekas pada latar belakang gelombang gravitasi.

Pendekatan lain yang dilakukan Sundrum dan rekan-rekannya digariskan pada tahun 2018 dan baru-baru ini diuraikan, adalah mencoba memetakan keseluruhan intensitas latar belakang di langit. Hal ini memungkinkan untuk mencari anisotropi, atau bercak yang sedikit lebih keras atau lebih tenang dari rata-rata.

“Masalahnya,” kata Caprini, “sinyal semacam ini praktis memiliki karakteristik yang sama dengan derau instrumen. Jadi pertanyaan keseluruhannya adalah bagaimana membedakannya setelah kita mendeteksi sesuatu.”

LISA lebih mirip mikrofon daripada teleskop. Daripada mengintip ke arah tertentu, ia akan mendengarkan seluruh langit sekaligus. Ia akan mendengar gelombang gravitasi primordial jika ada. Namun ia juga akan mendengar kicauan dan lolongan penggabungan lubang hitam, bintang neutron, dan banyak pasangan bintang katai putih di galaksi kita. Agar LISA dapat mendeteksi latar belakang gelombang gravitasi primordial, semua sinyal lainnya perlu diidentifikasi dan dihilangkan dengan hati-hati. Menyaring sinyal sebenarnya dari alam semesta awal akan seperti memilih suara angin musim semi di lokasi konstruksi.

Tapi Sundrum memilih untuk berharap. “Kami tidak gila untuk melakukan penelitian,” katanya. “Ini akan sulit bagi para eksperimentalis. Akan sulit bagi masyarakat untuk membayar berbagai hal yang perlu dilakukan. Dan akan sulit bagi para ahli teori untuk memperhitungkan semua ketidakpastian, kesalahan, latar belakang, dan seterusnya.”

Tapi tetap saja, Sundrum menambahkan, “tampaknya hal itu mungkin terjadi. Dengan sedikit keberuntungan.”