Dua lubang hitam bergabung

Bagaimana dua lubang hitam saling mendekat dalam spiral, mengguncang ruang itu sendiri, dan terdengar di Bumi 1,3 miliar tahun kemudian

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Sepasang lubang hitam

Masing-masing adalah sisa sebuah bintang masif. Cakrawala yang lebih besar lebarnya sekitar 210 km dan yang lebih kecil sekitar 170 km, tak lebih lebar dari sebuah kota; namun di sekitar masing-masing, cahaya bintang di belakangnya membengkok menjadi busur dan cincin. Bagaimana dua lubang semacam itu bisa saling mengitari masih diperdebatkan: mungkin lahir sebagai sepasang bintang raksasa, atau bertemu di gugus bintang yang padat.

Tak ada yang mendorong mereka dari luar. Orbitnya kehilangan energi lewat riak yang ia buat di ruang itu sendiri, sehingga menyusut, mula-mula perlahan, lalu makin cepat. Pada jarak ini, waktu mereka tinggal sekitar lima puluh menit.

Riak di ruang

Sambil berputar, mereka mengguncang ruang itu sendiri. Gelombang gravitasi menyebar secepat cahaya, meregangkan ruang ke satu arah dan memampatkannya ke arah lain, dua kali setiap putaran.

Teori relativitas umum Albert Einstein meramalkan gelombang ini pada 1916. Setiap massa yang gerakannya berubah memancarkannya, tetapi hanya massa raksasa yang bergerak sangat cepat yang menghasilkan gelombang cukup kuat untuk berarti. Di sini gelombang digambar pada bidang orbit, emas di tempat ruang teregang dan biru di tempat ruang termampatkan; setiap bagian menunjukkan apa yang dilakukan pasangan itu saat bagian gelombang tersebut berangkat.

Gelombang membawa pergi energi, dan energi itu diambil dari orbit. Meski begitu, bahkan sejauh sejuta kilometer, gelombang hanya meregangkan ruang sekitar sepersejuta. Gelombang lambat ini, yang naik turun kira-kira sekali per detik, terlalu lambat untuk dirasakan detektor mana pun di Bumi.

Makin lama makin cepat

Waktu dipercepat: saat orbit menyusut, ia makin cepat dan gelombang makin kuat. Dalam lima puluh menit terakhirnya, kedua lubang mendekat dari 10.000 km menjadi sekitar 900 km, berputar 17 kali per detik.

Makin dekat kedua lubang, makin cepat mereka bergerak dan makin kuat gelombang yang dipancarkan, sehingga orbit kehilangan energi lebih cepat lagi. Spiral itu melaju sendiri: sebagian besar lima puluh menit ini habis dalam putaran lebar yang lambat, dan seribu kilometer terakhir berlangsung kurang dari sepertiga detik.

Nada gelombang dua kali jumlah putaran orbit per detik. Saat melewati sekitar 30 getaran per detik, cukup cepat untuk dirasakan detektor LIGO, kedua lubang bergerak satu terhadap yang lain dengan sepertiga kecepatan cahaya.

Seperlima detik terakhir

Diperlambat sekitar tujuh puluh kali: dalam seperlima detik terakhir, kedua lubang berputar lima kali lagi dan mendekat hingga sekitar 320 km, dengan kecepatan lebih dari separuh kecepatan cahaya.

Inilah bagian gelombang yang didengar LIGO: sekitar sepuluh getaran dalam seperlima detik, nadanya naik dari sekitar 35 ke 150 getaran per detik dan kekuatannya terus bertambah. Jika diubah menjadi suara, ia naik seperti kicau burung, dan begitulah para ilmuwan menyebutnya: "chirp".

Sedekat itu, kedua lubang melengkungkan ruang begitu kuat sehingga rumus sederhana spiral tak lagi berlaku. Hanya superkomputer yang memecahkan persamaan Einstein yang dapat mengikutinya sampai akhir. Para ilmuwan menemukan massanya, 36 dan 29 Matahari, dengan membandingkan hasil ukur LIGO dengan ribuan simulasi semacam itu.

Dua menjadi satu

Kedua cakrawala bersentuhan dan menyatu. Massa setara tiga Matahari kini telah menjadi gelombang gravitasi, sebagian besar dalam seperlima detik terakhir; pada puncaknya, gelombang itu membawa daya lebih besar daripada semua bintang di alam semesta teramati.

Pada puncaknya gelombang membawa sekitar 3,6 × 10⁴⁹ watt, kira-kira lima puluh kali cahaya semua bintang di alam semesta teramati digabung, meski hanya selama beberapa perseribu detik. Secara keseluruhan, 36 dan 29 Matahari menjadi lubang bermassa 62: tiga sisanya pergi sebagai gelombang.

Penggabungan itu sendiri digambar secara sederhana di sini. Simulasi superkomputer menunjukkan apa yang sebenarnya terjadi: dua cakrawala menyatu menjadi satu cakrawala yang tak beraturan, yang dengan cepat menemukan bentuknya. Sepanjang proses itu tak ada yang lolos selain gelombang: dua lubang hitam yang bergabung di ruang kosong sama sekali tidak memancarkan cahaya.

Satu lubang hitam

Yang tersisa adalah satu lubang hitam bermassa 62 Matahari, cakrawalanya berputar sekitar 100 kali per detik. Ia berdenting seperti lonceng yang dipukul, sekitar 250 getaran per detik, lalu hampir seketika senyap.

Dentingan itu adalah cakrawala baru yang menemukan bentuknya. Nada dan seberapa cepat ia memudar hanya bergantung pada massa dan putaran lubang, persis seperti ramalan relativitas umum, dan yang didengar LIGO cocok dengan itu.

Stephen Hawking menunjukkan pada 1971 bahwa luas total cakrawala lubang hitam tak pernah bisa menyusut. Di sini kedua cakrawala berluas total sekitar 230.000 km²; yang baru sekitar 370.000 km², lebih besar, padahal massa tiga Matahari hilang. Pada 2025, penggabungan yang terdengar lebih jelas, GW250114, menegaskan hal ini lebih gamblang dari sebelumnya.

Menuju alam semesta

Gelombang melesat keluar secepat cahaya, melemah seiring menyebar. Dalam sedikit lebih dari satu detik, ia sudah menempuh jarak Bumi ke Bulan; dalam delapan menit, jarak Bumi ke Matahari.

Kekuatannya turun sebanding dengan jarak: sepuluh kali lebih jauh, sepuluh kali lebih lemah. Tidak seperti cahaya, gelombang ini menembus bintang, gas, dan debu seolah tak ada apa-apa, sehingga tiba persis seperti saat berangkat, hanya lebih lemah.

Gelombang itu menempuh perjalanan 1,3 miliar tahun. Saat berangkat, kehidupan di Bumi masih sebagian besar bersel satu. Di perjalanan, alam semesta mengembang dan ikut meregangkannya: gelombang tiba 9% lebih panjang dan lebih rendah nadanya daripada saat berangkat, hal yang diperhitungkan ilmuwan ketika menghitung massanya.

LIGO mendengarnya

Pada 14 September 2015 pukul 09:50:45 UTC, gelombang menyapu Bumi dari arah langit selatan. Detektor LIGO di Livingston, Louisiana, merasakannya lebih dulu; yang di Hanford, Washington, 3.000 km jauhnya, 7 perseribu detik kemudian.

Setiap detektor LIGO berbentuk L dengan dua lengan sepanjang 4 km, tempat cahaya laser bolak-balik. Gelombang yang lewat meregangkan satu lengan sambil memampatkan yang lain; pada puncaknya panjang lengan ini berubah sekitar seperseribu lebar proton, dan LIGO mengukurnya.

Karena gelombang merambat secepat cahaya, selisih 7 ms antara kedua detektor menempatkan sumbernya pada sebuah cincin di langit selatan; dua detektor tak bisa memberi tahu lebih dari itu. Saat itu malam di Amerika: pukul 4.50 pagi di Louisiana. Di sini waktu berjalan sekitar enam puluh kali lebih lambat.

Ratusan lagi

Itulah pertama kalinya gelombang gravitasi terdeteksi, seabad setelah Einstein meramalkannya. Hingga 2025, detektor telah mendengar sekitar 300 penggabungan lubang hitam, satu setiap beberapa hari.

Penemuan ini mengantar Rainer Weiss, Barry Barish, dan Kip Thorne meraih Hadiah Nobel Fisika 2017. LIGO kini mendengarkan bersama Virgo di Italia dan KAGRA di Jepang: dengan tiga detektor atau lebih, letak sumber di langit bisa ditentukan jauh lebih tepat.

Pasangan terberat yang terdengar sejauh ini, GW231123, membentuk lubang hitam sekitar 225 Matahari. Pada 2017 tabrakan dua bintang neutron terdengar, lalu teleskop menangkap cahaya ledakannya, tempat unsur berat seperti emas ditempa.