Penggabungan lubang hitam bermassa terbesar yang pernah ada teramati melalui LIGO

• Kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA mendeteksi penggabungan lubang hitam bermassa terbesar yang pernah diamati melalui gelombang gravitasi
• Penggabungan ini membentuk lubang hitam setara sekitar 225 kali massa Matahari
• Peristiwa ini memiliki massa sangat besar yang tidak dapat dijelaskan oleh teori evolusi bintang standar yang ada, sehingga menguji batas teori dan observasi
• Para ilmuwan terkait memperkirakan riset lubang hitam dan pengembangan algoritme akan maju berkat rotasi yang sangat cepat dan analisis sinyal yang kompleks
• Observasi ini menjadi titik balik baru bagi analisis data astronomi gelombang gravitasi, teknologi instrumen, dan perkembangan teori

---

LIGO, Virgo, dan KAGRA mendeteksi penggabungan lubang hitam bermassa terbesar yang pernah ada

Kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) menemukan fenomena penggabungan lubang hitam bermassa terbesar yang pernah diamati melalui gelombang gravitasi dengan menggunakan observatorium LIGO yang didukung oleh National Science Foundation (NSF) Amerika Serikat. Lubang hitam akhir yang terbentuk dalam penggabungan ini diketahui memiliki massa sekitar 225 kali massa Matahari. Sinyal gelombang gravitasi tersebut diberi nama GW231123 dan terdeteksi pada 23 November 2023 selama periode pengamatan keempat jaringan LVK.

Sejarah dan evolusi LIGO

LIGO mendapat perhatian besar pada 2015 ketika berhasil melakukan pengamatan langsung pertama gelombang gravitasi, dan saat itu juga mendeteksi lubang hitam berukuran 62 kali massa Matahari setelah tabrakan dua lubang hitam. Sepasang detektor kembar LIGO yang berlokasi di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington, bersama-sama menangkap sinyal ini. Setelah itu, LIGO bekerja sama dengan Virgo di Italia dan KAGRA di Jepang untuk membentuk kolaborasi LVK. Selama empat siklus pengamatan sejak 2015, lebih dari 300 peristiwa penggabungan lubang hitam telah diamati.

Peristiwa penggabungan pemecah rekor terbaru

Sebelumnya, penggabungan lubang hitam dengan massa terbesar adalah peristiwa GW190521 pada 2021, dengan total massa 140 kali massa Matahari. Dalam peristiwa GW231123 kali ini, dua lubang hitam masing-masing setara 100 dan 140 kali massa Matahari bergabung membentuk lubang hitam bermassa 225 kali massa Matahari. Kedua lubang hitam ini diperkirakan berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi.

Mark Hannam dari kolaborasi LVK menyatakan, "Sistem biner lubang hitam yang diamati ini sulit dijelaskan dengan teori evolusi bintang yang ada, dan kemungkinan mengisyaratkan bahwa penyebabnya adalah penggabungan bertingkat dari lubang hitam yang lebih kecil." Dave Reitze dari LIGO mengatakan, "Melalui pengamatan gelombang gravitasi, telah ada kemajuan besar dalam mengungkap hakikat lubang hitam dan sifat-sifat eksotis alam semesta."

Rekor baru dan tantangan ilmiah

Massa yang sangat besar dan rotasi ekstrem yang sangat cepat yang terlihat pada GW231123 menguji batas teknologi deteksi gelombang gravitasi dan model teoretis saat ini. Rotasi cepat yang mendekati batas yang diizinkan oleh teori relativitas umum Einstein membuat interpretasi dan pemodelan sinyal menjadi sangat sulit. Charlie Hoy dari University of Portsmouth menilai, "Kasus ini memberikan peluang besar untuk kemajuan penting dalam pengembangan alat teoretis dan algoritme."

Para peneliti memperkirakan akan dibutuhkan waktu bertahun-tahun untuk sepenuhnya menguraikan pola dan makna sinyal ini. Gregorio Carullo dari University of Birmingham menganalisis, "Penggabungan itu sendiri adalah penjelasan yang paling mungkin, tetapi karena adanya fenomena kompleks yang tidak dapat dijelaskan oleh teori saat ini, ada juga kemungkinan petunjuk menuju interpretasi baru."

Memperluas batas astronomi gelombang gravitasi

Detektor gelombang gravitasi seperti LIGO, Virgo, dan KAGRA mengukur deformasi sangat kecil pada ruang-waktu yang dihasilkan oleh fenomena fisika kosmik berskala sangat besar. Siklus pengamatan keempat ini dimulai pada Mei 2023, dan data tambahan dijadwalkan dirilis pada musim panas 2024. Sophie Bini dari Caltech menjelaskan, "Peristiwa ini adalah contoh nyata dalam melampaui batas saat ini pada analisis data dan teknologi instrumen, serta menunjukkan banyak kemungkinan untuk riset astronomi gelombang gravitasi di masa depan."

Hasil GW231123 dijadwalkan dipresentasikan pada konferensi GR24/Amaldi yang akan digelar di Glasgow, Skotlandia, pada 14–18 Juli 2025. Data kalibrasi yang digunakan untuk GW231123 akan dibuka melalui Gravitational Wave Open Science Center (GWOSC), sehingga ilmuwan di dalam dan luar negeri dapat memanfaatkannya untuk riset lanjutan.

Pengenalan kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA

• LIGO dioperasikan oleh Caltech dan MIT dengan dukungan NSF Amerika Serikat, serta menerima dukungan utama dari Jerman (Max Planck Society), Inggris (Science and Technology Facilities Council), dan Australia (Australian Research Council). Lebih dari 1.600 ilmuwan dari seluruh dunia berpartisipasi
• Virgo Collaboration terdiri dari sekitar 880 orang dari 152 institusi di 17 negara Eropa. Detektor Virgo yang berlokasi dekat Pisa, Italia, didukung bersama oleh EGO (European Gravitational Observatory), CNRS (Pusat Riset Ilmiah Nasional Prancis), INFN (Institut Nasional Fisika Nuklir Italia), dan Nikhef (Institut Nasional Fisika Subatom Belanda)
• KAGRA berlokasi di Kamioka, Gifu, Jepang, sebagai interferometer laser dengan lengan terowongan sepanjang 3 km, dan dikelola bersama oleh ICRR University of Tokyo (Institute for Cosmic Ray Research), National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), dan High Energy Accelerator Research Organization (KEK). Lebih dari 400 orang dari 128 institusi di 17 negara/wilayah berpartisipasi

Informasi tambahan atau materi riset dapat ditemukan di situs web resmi masing-masing institusi

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Lubang hitam bermassa sekitar 225 massa Matahari berarti ia terbentuk dari penggabungan lubang hitam dengan massa masing-masing sekitar 100 dan 140 massa Matahari; jadi saya penasaran apakah 15 massa Matahari berubah menjadi energi, karena itu jumlah energi yang luar biasa besar
  • Bom nuklir Tsar Bomba bisa dianggap mengubah sekitar 2,3 kg materi menjadi energi; satu massa Matahari sekitar 2 x 10^30 kg, jadi peristiwa ini setara dengan melepaskan energi sebesar 10^31 Tsar Bomba; angka sebesar ini sulit dibayangkan secara intuitif, jadi saya memikirkannya lagi: Matahari hanya memancarkan sekitar 0,034% massanya sebagai energi sepanjang seluruh umurnya, jadi energi sebesar satu massa Matahari setara dengan total umur 3.000 Matahari; energi yang dilepaskan dalam peristiwa ini setara dengan energi sepanjang umur sekitar 45.000 Matahari; saya kira sebagian besar dari ini dilepaskan dalam beberapa detik terakhir penggabungan; referensi: referensi perhitungan konversi energi, referensi kehilangan massa Matahari
  • Artinya massa itu berubah menjadi energi dan keluar dari lubang hitam, tetapi saya tidak begitu mengerti bagaimana itu bisa terjadi dari lubang hitam yang bahkan cahaya pun tidak bisa lolos; kalau itu dalam bentuk gelombang gravitasi, saya sampai pada kesimpulan yang tampak jelas bahwa sebagian besar energi lolos dengan cara ini; tidak perlu menunggu radiasi Hawking
  • Saya penasaran massa itu diubah menjadi bentuk energi seperti apa
  • Ini sesuatu yang bisa dibayangkan manusia, tetapi pada momen itu jumlahnya lebih besar daripada energi yang dipancarkan semua bintang di alam semesta teramati
  • Benar, namun gravitasi begitu lemah sehingga energi luar biasa ini di Bumi hanya muncul sebagai penyusutan relatif sebesar ketebalan rambut pada jarak Bumi-Bulan (kurang dari 10^-20)
• Fenomena ini benar-benar menarik; Charlie Hoy dari University of Portsmouth menjelaskan bahwa "lubang hitam berputar sangat cepat, hampir mendekati batas yang diizinkan oleh relativitas umum"; akibatnya pemodelan dan interpretasi sinyal menjadi sulit; kasus ini merupakan bahan studi yang sangat baik untuk mendorong pengembangan alat teoretis
  • Rasanya seperti alam melemparkan stress test relativitas umum kepada kita
  • Saya penasaran apakah hanya dengan berotasinya benda langit berbentuk bola sudah bisa menghasilkan gelombang gravitasi
• Dalam usulan anggaran NSF sebulan lalu, ada kemungkinan menutup salah satu dari dua observatorium LIGO di AS, yang akan sangat merusak kemampuan untuk melakukan triangulasi lokasi peristiwa seperti penggabungan lubang hitam ini; penutupan juga akan menjadi pukulan serius bagi batas noise dan tingkat deteksi; saya penasaran apakah ada yang tahu apakah rencana penutupan ini akan benar-benar terjadi, tautan referensi
  • Usulan anggaran itu dijadwalkan ditinjau besok (15 Juli, 12:00); anggaran NSF saat ini sekitar 7 miliar dolar, dipotong 23% dibanding FY2025; saya tidak tahu persis dampaknya bagi LIGO, tautan detail anggaran
  • Minggu lalu saya menghadiri acara virgo ego di Pisa (pada dasarnya sepupu LIGO); itu acara peringatan 10 tahun penemuan gelombang gravitasi; sebuah buku yang ditulis direktur program Italia dibacakan oleh seorang aktor, dan suara gelombangnya dimainkan dengan saksofon; saya tidak bisa mengungkapkan betapa menyentuhnya itu; ada juga sesi wawancara dengan kepala pusat virgo dan seorang komunikator sains, dan kepala pusat itu tampak cukup marah tentang kemungkinan pemotongan anggaran LIGO; wajar saja
  • Kita perlu terus memantau apakah anggaran final FY 2026 mempertahankan kedua fasilitas LIGO; sampai saat itu, ini masih merupakan risiko nyata; tetapi belum sepenuhnya menjadi situasi yang tak bisa dibalikkan
  • Saat ini ada beberapa observatorium gelombang gravitasi yang beroperasi di seluruh dunia; saya penasaran mengapa penutupan satu fasilitas LIGO akan begitu fatal bagi triangulasi
  • Mungkin itu juga alasan mengapa penemuan tahun 2023 ini baru sekarang dipublikasikan sebagai makalah
• Saya benar-benar butuh kabar baik; saya ingin tahu apakah penemuan semacam ini bisa memicu imajinasi tentang jalur di mana suatu hari nanti hal ini dapat dimanfaatkan secara praktis untuk membuat kehidupan manusia lebih baik (meski sangat tidak langsung); ini bukan perdebatan tentang "kegunaan riset dasar"—saya setuju itu berharga pada dirinya sendiri, tetapi saya kesulitan membayangkan bagaimana ini akan berguna dalam jangka panjang
  • Saya bukan ahli, hanya orang yang tertarik; jelas ada sisi positif dalam kemajuan seperti ini; salah satunya adalah bahwa gelombang gravitasi menjadi sinyal yang memberi tahu kita tentang peristiwa di alam semesta awal; misalnya, cosmic microwave background radiation (CMB) adalah sinyal foton awal yang dipancarkan segera setelah Big Bang/inflasi; tetapi alam semesta tidak tembus terhadap foton selama 300 ribu tahun pertama, dan meski begitu kita telah memakai data ini untuk menguji dan membantah teori kosmologi; gelombang gravitasi, tidak seperti foton, tidak terhalang oleh apa pun dan dapat membawa sinyal sejak momen penciptaan alam semesta, sehingga bisa memberi informasi yang lebih jelas; ini dapat membuka insight baru tentang fisika dasar seperti mekanika kuantum dan relativitas; saya rasa ini akan mengarah pada astronomi multi-messenger yang mengamati peristiwa melalui tiga hal: foton, neutrino, dan gelombang gravitasi, sehingga memberi pemahaman yang lebih dalam; mengingat banyak contoh kemajuan fisika dasar yang pada akhirnya meningkatkan kehidupan di Bumi, saya pikir kita bisa memandangnya dengan optimistis; semoga ini memberi harapan bahwa dunia bisa menjadi sedikit lebih baik
  • Untuk pertanyaan "bagaimana riset ini akan berguna dalam jangka panjang?", saya jujur tidak tahu; hanya saja, lubang hitam adalah hal yang secara ilmiah paling dekat dengan batas pengetahuan kita; kita sama sekali tidak tahu apa yang terjadi di balik horizon peristiwa (dan secara eksperimental mungkin tak akan pernah tahu); ketika kita tahu lebih banyak, kadang muncul terobosan yang melompati kemajuan teknologi; ini adalah bidang dengan potensi paling besar; dalam kebanyakan kasus, kemajuannya terasa cukup "membosankan" di luar industri yang benar-benar terkait
  • Kegunaan praktis dari riset seperti ini bukan pada “hasil akhirnya”, melainkan pada metodologi untuk mendapatkan hasil itu; LIGO membutuhkan laser dengan presisi ekstrem, platform yang stabil, pengukuran posisi yang ekstrem, dan software yang luar biasa; “kebutuhan” seperti inilah yang mendorong kemajuan dan inovasi nyata; misalnya, sensor CMOS (kamera digital) lahir sebagai efek samping astronomi; ketika memakai kamera ponsel, kita tidak berpikir “ini berasal dari riset pengukuran jarak bintang”, tetapi begitulah efeknya
  • Dalam sejarah, peradaban kaya membangun bangunan monumental untuk menunjukkan kebesaran mereka; dengan cara yang mirip, sekarang kita sedang membuat karya seni besar dengan menginvestasikan produktivitas masyarakat ke riset dasar; deteksi penggabungan lubang hitam tidak memberi manfaat praktis, tetapi merupakan monumen intelektual untuk menemukan hakikat alam semesta; seperti orang Mesir kuno yang masih dikenang hingga sekarang, saya berharap pencapaian kita juga akan bertahan lama
• Saya selalu mengira event horizon lubang hitam selalu berbentuk bola; tetapi intuisi fisika saya mengatakan bahwa ketika dua lubang hitam bergabung, tepat setelah penggabungan setidaknya pada awalnya lubang hitam itu akan menjadi “berbentuk kacang”; mungkin bentuk tak beraturan bahkan bisa bertahan tergantung distribusi massa di dalamnya
  • Event horizon menjadi berbentuk bola pada lubang hitam Schwarzschild (tak berotasi); lubang hitam berotasi disebut lubang hitam Kerr dan memiliki banyak fenomena aneh; di luar ada batas luar aneh yang disebut ergosphere, tempat ruang-waktu terseret sehingga tidak mungkin diam dan lubang hitam bahkan bisa dipakai untuk mempercepat benda; di dalam ada batas yang lebih aneh lagi bernama Cauchy horizon, yang secara teoretis memungkinkan perjalanan waktu; singularitasnya berbentuk cincin; saya pikir selama proses penggabungan, semua ini akan menjadi jauh lebih aneh, wiki metrik Kerr, makalah riset lubang hitam Kerr, wiki ergosphere, wiki Cauchy horizon, saya memperbarui sambil menelusuri; karena ini rumit, saya tidak bisa menjamin penjelasan ini sepenuhnya tepat, tetapi saya sudah berusaha sebaik mungkin
  • Saya rasa sulit membicarakan bentuk event horizon, karena biasanya definisi bola adalah “himpunan semua titik yang berjarak sama dari satu titik”, tetapi dalam manifold yang dapat didiferensiasikan hal ini sudah rumit, dan karena singularitas jaraknya bisa menjadi tak hingga atau titik acuan mungkin tidak unik secara geometris; jadi biasanya definisinya diubah menjadi “permukaan dengan kelengkungan skalar konstan yang memiliki topologi yang sama dengan bola”; itulah yang membedakannya dari bidang datar atau hiperbolik; intuisi saya mengatakan bahwa pada lubang hitam Kerr atau lubang hitam yang sedang bergabung, bentuknya mungkin seperti permen mint atau kacang (mungkin juga ada saddle point); secara koordinat memang bisa begitu, tetapi bergantung pada pilihan sistem koordinat, bahkan lubang hitam Schwarzschild pun bisa tampak seperti kacang secara koordinat; jadi saya rasa koordinat sendiri tidak terlalu bermakna
  • Ada animasi penggabungan buatan MIT/CalTech, video animasi
  • Dari sudut pandang kita, event horizon itu sebenarnya belum benar-benar selesai terbentuk; sebuah bintang yang runtuh memerlukan waktu tak hingga menurut pengamat luar untuk mencapai keadaan lubang hitam; dalam kebanyakan situasi, bintang yang runtuh tampak seperti lubang hitam, tetapi dalam proses penggabungan lubang hitam, event horizon belum sepenuhnya terbentuk sehingga energi bisa dipancarkan; dalam kasus seperti ini muncul perbedaan penting
• Saya penasaran apa yang akan terjadi jika satu lubang hitam melintas menembus lubang hitam lain seolah-olah menembaknya dengan kecepatan ultra-relativistik
  • Ruang-waktu di sekitar lubang hitam melengkung secara ekstrem; mudah membayangkan “mereka bertabrakan mendekati kecepatan cahaya”, tetapi pada lubang hitam ruang-waktunya saling bertaut, sehingga saat salah satunya mendekat kecepatannya bisa tampak seperti berhenti total; bergantung pada posisi dan kecepatan pengamat, hasil pengamatan bisa sangat berbeda; bahkan untuk hal mendasar sulit mencapai kesepakatan; misalnya, sesuatu yang tersedot ke dalam lubang hitam (bahkan jika itu lubang hitam lain) dari luar akan tampak kecepatannya mendekati 0 dan memudar menjadi merah, sehingga kita tidak akan pernah melihat momen ia benar-benar jatuh; ini benar-benar sulit dan bertentangan dengan intuisi
  • Kedua lubang hitam pada akhirnya akan bergabung menjadi satu lubang hitam yang membawa gabungan momentumnya; karena tidak ada yang bisa lolos dari event horizon, lubang hitam pada dasarnya sepenuhnya lengket
  • Di dalam event horizon, kecepatan lepas lebih tinggi daripada kecepatan cahaya, sehingga lubang hitam tidak bisa saling mendekat lebih cepat dari itu; jika orbitnya benar-benar cocok, mereka tidak bisa lolos dari gravitasi satu sama lain; daripada saling menembus lalu lewat begitu saja, dua lubang hitam lebih mirip magnet superkuat yang saling bertabrakan
  • Sayang sekali kita tidak bisa memasang akselerator partikel kosmik untuk benar-benar menguji hal seperti ini
• Menakjubkan bahwa LIGO, Virgo, dan KAGRA benar-benar bisa mendeteksi dan menafsirkan sinyal se-ekstrem ini
• Saya penasaran bagaimana prospek anggaran LIGO; apakah anggarannya dipotong saat BBB lolos minggu lalu
• Saya penasaran apa yang terjadi ketika lubang hitam bertabrakan; apakah satu lubang hitam “menelan” yang lain, atau menjadi lubang hitam yang lebih besar, atau menjadi lebih rapat, atau hanya sekadar membesar
  • Mereka bergabung menjadi lubang hitam yang lebih besar, sebagian besar massanya tetap dipertahankan dan sebagian dilepaskan sebagai gelombang gravitasi; karena massa berbanding lurus dengan jari-jari, kerapatannya justru menurun setelah penggabungan; misalnya, jika Anda menyusun banyak lubang hitam dalam satu garis lalu menggabungkannya, ruang berbentuk bola yang membungkus semuanya sendiri akan menjadi lubang hitam; lubang hitam dengan massa seluruh alam semesta akan memiliki volume sebesar alam semesta itu sendiri
  • Mereka bergabung menjadi lubang hitam yang lebih masif; volume termasuk event horizon hanya ditentukan oleh massanya, jadi bagaimana pun ia terbentuk, massa yang sama berarti kerapatan yang sama; soal “menelan”, jika Anda melihat dua lubang pada selembar kain yang robek lalu bertemu dan menyatu menjadi satu, agak ambigu apakah tepat mengatakan lubang yang besar menelan lubang yang kecil
  • Kita tidak tahu apa yang terjadi di dalam; lubang hitam hanya didefinisikan oleh tiga besaran: massa, spin (momentum sudut), dan muatan; setelah penggabungan, ketiganya diperkirakan dijumlahkan; rotasi cepat bisa membuat spin setelah penggabungan mendekati titik didih, dan gelombang gravitasi mungkin membawa pergi energi dari spin berlebih itu
  • Menurut pemahaman saya, dua lubang hitam saling mengorbit sambil mendekat selamanya; dari sudut pandang kita, kita tidak akan pernah benar-benar melihat sesuatu jatuh ke dalam lubang hitam; karena dilatasi waktu, kita tidak akan pernah melihat apa pun benar-benar melintasi horizon; penjelasan lebih rinci ada di sini T&J tentang dilatasi waktu
  • Pada prinsipnya dua lubang hitam menjumlahkan massanya dan menjadi lubang hitam yang lebih besar; peningkatan massa itu menciptakan gravitasi yang lebih besar sehingga event horizon meluas ke luar
• Leluconnya: kalau tidak ada waveform (chirp), berarti itu tidak terjadi