Dikutip dari : Kompas-cetak
Satelit Gravity Probe B tidak lama lagi akan memastikan ada-tidaknya dua efek (fenomena) di sekitar Bumi yang diprediksi teori relativitas umum Einstein, yaitu geodetic wrap dan frame dragging. Dua efek ini belum pernah dibuktikan kebenarannya sejak teori relativitas umum dipaparkan Albert Einstein tahun 1915.
Geodetic wrap adalah fenomena melengkungnya ruang-waktu (space-time) di sekitar suatu massa (benda). Sedangkan frame dragging adalah fenomena terpilinnya ruang-waktu yang melengkung itu akibat suatu massa berotasi. Frame dragging disebut pula medan magnet gravitasi.
Misi Gravity Probe B bermula ketika seorang fisikawan Universitas Stanford, Dr Leonard Schiff, mengemukakan sebuah ide melalui makalah yang terbit pada tahun 1960 bahwa ruang-waktu lokal (di sekitar suatu massa) dapat "dilihat" melalui gyroscope di ruang angkasa. Yaitu dengan cara mengamati pergeseran sumbu gyroscope relatif terhadap arah posisi sebuah bintang jauh. Secara terpisah, fisikawan dari Departemen Pertahanan Amerika Serikat, Dr George Pugh, juga mencetuskan ide yang sama pada 12 November 1959.
Sejak 1964 upaya mewujudkan
gyroscope yang sangat akurat mulai dirintis di Universitas Stanford. Jerih payah selama empat dekade ini tidak sia-sia. Satelit berhasil diluncurkan pada 20 April 2004. Kini Gravity Probe B mengorbit pada ketinggian 640 km melalui kutub-kutub Bumi (inklinasi 90 derajat) dan terus-menerus mengumpulkan data eksperimen gyroscope di angkasa.
Satelit membawa empat buah gyroscope untuk mengukur efek relativitas umum di sekitar Bumi dengan sangat akurat.
Prediksi Einstein
Tahun 1905 Einstein memublikasikan makalah tentang teori relativitas khusus (special relativity theory) berkaitan dengan materi dan cahaya yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi. Tahun 1915 Einstein memaparkan teori relativitas umum (general relativity theory) tentang gravitasi. Teori relativitas umum menyatakan, setiap benda bermassa menyebabkan ruang-waktu di sekitarnya melengkung (efek geodetic wrap). Teori ini mampu menjelaskan sifat-sifat materi dan struktur alam semesta.
Tahun 1918 peneliti Austria, Josef Lense dan Hans Thirring, memprediksi adanya fenomena frame dragging berdasarkan teori relativitas umum. Setahun kemudian, teori relativitas umum yaitu bahwa cahaya bisa dibelokkan oleh medan gravitasi berhasil dikonfirmasi oleh Arthur Eddington melalui observasi ketika terjadi gerhana Matahari. Cahaya bintang-bintang yang melintas dekat Matahari dibelokkan sehingga posisinya sedikit bergeser dari posisi sesungguhnya.
Semakin besar massa suatu benda angkasa, semakin kuat efek geodetic wrap. Bila benda angkasa itu berputar semakin cepat, maka semakin kuat efek frame dragging (medan magnet gravitasi). Bintang neutron dan black hole diprediksi membangkitkan medan magnet gravitasi jauh lebih kuat daripada Bumi.
Tidak mudah membuktikan kehadiran medan magnet gravitasi di alam. Obyek-obyek di luar tata surya terlalu jauh untuk dijadikan obyek penelitian. Jadi, yang paling mungkin adalah menguji efek relativitas umum di sekitar Bumi. Inilah alasan utama dilakukan misi Gravity Probe B.
Sangat akurat
Tantangan terberat Gravity Probe B adalah menciptakan gyroscope dari bahan quartz sehingga mendekati bentuk bulat sempurna. Bola berdiameter 3,81 cm dan dilapisi niobium ini tidak diperkenankan memiliki kesalahan lebih dari lebar 40 atom. Persyaratan ini untuk menjamin gyroscope mampu mengukur efek relativitas umum dengan sangat akurat.
Sebuah teleskop dari bahan quartz berfungsi menstabilkan satelit dengan cara menatap terus-menerus bintang IM Pegasi sebagai titik acuan di langit. Bintang ini dipilih karena posisinya relatif diam terhadap Bumi. Satelit diputar melalui sumbu panjangnya sekali dalam satu menit. Sumbu putar gyroscope juga mengarah pada bintang ini untuk memudahkan pengukuran dalam pergeseran sumbu ini selama di orbit.
Gravity Probe B membawa empat gyroscope. Modul gyroscope dan teleskop dimasukkan ke dalam sistem pendingin menggunakan helium cair untuk menjaga agar suhu tetap sangat rendah, yaitu 271,4 di bawah nol derajat Celsius.
Pada suhu serendah itu gyroscope berperilaku seperti superkonduktor. Di antariksa gyroscope dibuat melayang dan berputar bebas tanpa sentuhan dengan apa pun. Ketika sistem gyroscope diaktifkan, bola diputar 10.000 kali per menit pada suatu sumbu yang mengarah ke bintang IM Pegasi. Karena tidak ada hambatan sama sekali, gyroscope terus-menerus berputar sementara sumbu rotasinya bertahan menunjuk pada satu arah.
Gyroscope yang diputar membentuk medan magnet di sekitarnya. Sistem gyroscope dilindungi bahan khusus agar medan magnet ini tidak terpengaruh oleh medan magnet Bumi ataupun gangguan dari aktivitas Matahari. Sebuah magnetometer (alat pengukur medan magnet) yang sangat peka disebut Super-Conducting Quantum Interface Devices (SQUIDs), dipakai untuk mengukur perubahan kecil arah sumbu rotasi gyroscope. Ketelitian pengukuran mencapai satu per 40 juta derajat busur.
Jika efek geodetic wrap dan frame dragging (medan magnet gravitasi) memang benar-benar ada di sekitar Bumi seperti prediksi Einstein, maka kedua efek ini menjadi sumber gangguan terhadap sumbu rotasi gyroscope. Setelah setahun berada di orbit, akibat frame dragging, diperkirakan sumbu rotasi gyroscope bergeser sejauh 40,9 milidetik busur, tegak lurus bidang orbit satelit. Sedangkan geodetic wrap menggeser sumbu rotasi gyroscope dalam bidang orbit satelit sejauh 6.614,4 milidetik busur per tahun.
Satuan milidetik busur itu ukuran sudut yang sangat kecil. Satu detik busur adalah 1/3.600 derajat busur dan milidetik adalah seperseribu detik.
Prestasi mengagumkan misi Gravity Probe B yaitu pengukuran sudut sumbu rotasi gyroscope bisa mencapai ketelitian 0,5 milidetik. Sebagai ilustrasi, ini setara dengan penampakan tebal selembar kertas bila dilihat dari jarak 160 km. Dengan demikian, pergeseran sumbu rotasi gyroscope akibat medan magnet gravitasi sebesar 40,9 milidetik busur per tahun itu diharapkan bisa diukur.
Mengingat kesimpulan yang akan dikemukakan nanti berdampak luar biasa terhadap ilmu pengetahuan, tim Gravity Probe B bekerja ekstra hati-hati dalam menganalisis data. Akankah prediksi Einstein bisa dibuktikan kebenarannya? Namun, bagaimana bila tidak terbukti? Ada baiknya kita tunggu hasilnya dalam waktu dekat.
Bachtiar Anwar Peneliti Bidang Aplikasi Geomagnet dan Magnet Antariksa, Anggota Tim Penelitian Matahari Watukosek, Lapan.
Pengukuran Gravity Probe B melakukan pengukuran dua efek relativitas umum, yaitu pergeseran sumbu rotasi gyroscope pada bidang orbit satelit karena efek geodetic wrap dan pergeseran pada arah tegak lurus bidang orbit satelit akibat efek frame dragging.
Pengujian Laboratorium Gravity Probe B menjalani berbagai pengujian di laboratorium. Satelit berbobot 3 ton ini adalah hasil kerja tim dari Universitas Stanford, NASA, dan Lockheed Martin selama empat dekade.
Tag: Fisika, teori relativitas, einstein, relativitas umum einstein, geodetic wrap, geomagnet, space-time, fisika teori, fisika modern,
Tags
Pengetahuan