Sejak awal abad ke-20, para astronom tahu bahwa alam semesta kita tidak diam. Ia mengembang — setiap galaksi bergerak menjauh dari galaksi lainnya, seperti titik-titik di permukaan balon yang terus ditiup. Yang ingin diketahui para ilmuwan adalah: seberapa cepat pengembangan itu terjadi?
Untuk mengukur ini, digunakan sebuah angka yang disebut Konstanta Hubble (H₀). Secara sederhana, H₀ menggambarkan laju pengembangan alam semesta — berapa cepat sebuah galaksi menjauh dari kita untuk setiap satuan jarak tertentu.
Masalahnya, ada dua cara berbeda untuk mengukur H₀, dan keduanya menghasilkan angka yang tidak cocok satu sama lain. Pengukuran dari radiasi latar kosmik — sisa cahaya dari awal alam semesta — menghasilkan nilai sekitar 67,5 km/s per Megaparsec. Sementara pengukuran dari bintang-bintang dan supernova di alam semesta lokal menghasilkan sekitar 73 km/s per Megaparsec.
Megaparsec adalah satuan jarak astronomi yang sangat besar — setara dengan sekitar 3,26 juta tahun cahaya. Jadi H₀ = 70 km/s per Megaparsec berarti sebuah galaksi yang berjarak 3,26 juta tahun cahaya dari kita bergerak menjauh dengan kecepatan 70 km per detik.
Selisih antara kedua angka ini — yang dikenal sebagai "Hubble Tension" atau ketegangan Hubble — bukan sekadar perbedaan kecil yang bisa diabaikan. Ini bisa menjadi tanda bahwa ada sesuatu dalam fisika alam semesta yang belum kita pahami. Dan itulah yang mendorong para ilmuwan untuk mencari cara pengukuran ketiga yang benar-benar independen dari keduanya.
Gelombang Gravitasi: Penggaris Kosmis yang Tidak Butuh Tangga
Sebelum 2015, mengukur jarak ke galaksi jauh membutuhkan proses panjang yang disebut distance ladder — tangga jarak. Para astronom harus melompat dari satu jenis pengukuran ke pengukuran lain: dari bintang Cepheid ke supernova tipe Ia, lalu ke galaksi yang lebih jauh. Setiap langkah membawa ketidakpastian baru, dan kesalahan kecil di satu anak tangga bisa berdampak besar di ujung pengukuran.
Gelombang gravitasi bekerja dengan cara yang berbeda total. Ia tidak membutuhkan tangga.
Gelombang gravitasi adalah riak dalam ruang-waktu yang dihasilkan oleh peristiwa kosmik yang sangat energetik — misalnya dua lubang hitam atau dua bintang neutron yang saling mengorbit dan akhirnya bertabrakan. Dari bentuk sinyal gelombang gravitasi yang terdeteksi, para ilmuwan bisa langsung menghitung seberapa jauh sumber tersebut dari Bumi. Tidak perlu kalibrasi tambahan, tidak perlu asumsi tentang sifat bintangnya.
Inilah yang membuat gelombang gravitasi istimewa sebagai alat kosmologi. Para ilmuwan menyebutnya standard sirens — "sirene standar" — karena analoginya dengan standard candles (lilin standar) seperti supernova, tapi dengan keunggulan bahwa jaraknya bisa diukur secara langsung dari amplitudo sinyalnya, bukan dari kecerahan yang diasumsikan.
Istilah "sirene standar" pertama kali diusulkan oleh Holz dan Hughes pada 2005. Sementara supernova tipe Ia disebut "lilin standar" karena kecerahan absolutnya dianggap sama di mana pun, sehingga dari kecerahannya yang tampak kita bisa menghitung jaraknya.
Namun ada satu hal yang tidak bisa diberikan oleh gelombang gravitasi sendirian: redshift — ukuran seberapa jauh galaksi sumber telah bergerak menjauh dari kita akibat pengembangan alam semesta. Dan tanpa redshift, kita tidak bisa menghitung Konstanta Hubble. Di sinilah para ilmuwan harus kreatif.
Tiga Cara Mendapatkan Informasi Redshift
Para ilmuwan mengembangkan tiga pendekatan berbeda untuk melengkapi data jarak dari gelombang gravitasi dengan informasi redshift yang dibutuhkan.
1. Sirene Terang: Ketika Ada Cahaya yang Menyertai
Cara paling langsung adalah menunggu peristiwa gelombang gravitasi yang disertai cahaya — kilatan elektromagnetik yang bisa diamati teleskop biasa. Jika kita bisa mengidentifikasi galaksi mana yang menjadi sumber peristiwa itu, kita langsung mendapatkan redshiftnya.
Pada 17 Agustus 2017, hal ini terjadi untuk pertama kalinya. Dua bintang neutron bertabrakan dan menghasilkan sinyal bernama GW170817. Dalam 1,7 detik setelahnya, sebuah kilatan sinar gamma terdeteksi. Tak lama kemudian, banyak teleskop di seluruh dunia menangkap cahaya optik dan inframerah dari peristiwa yang sama — sebuah fenomena bernama kilonova, pancaran cahaya dari peluruhan radioaktif unsur-unsur berat yang dihasilkan dalam tabrakan bintang neutron. Galaksi sumbernya berhasil diidentifikasi: NGC 4993. Dari galaksi itulah redshift diukur, dan pengukuran pertama Konstanta Hubble dari gelombang gravitasi dilakukan, menghasilkan H₀ = 70 km/s per Megaparsec dengan ketidakpastian sekitar +12/-8. Artinya, nilai sebenarnya kemungkinan berada di kisaran 62–82 km/s per Megaparsec.
Kilonova adalah ledakan optik dan inframerah yang terjadi ketika dua bintang neutron bergabung. Prosesnya menghasilkan unsur-unsur berat seperti emas dan platinum — jadi secara harfiah, tabrakan bintang neutron adalah tempat lahirnya perhiasan yang ada di Bumi.
2. Sirene Gelap: Menggunakan Katalog Galaksi
Sebagian besar peristiwa gelombang gravitasi tidak disertai kilatan cahaya yang bisa diamati — terutama yang dihasilkan oleh tabrakan dua lubang hitam. Ini disebut "sirene gelap".
Untuk kasus ini, para ilmuwan menggunakan pendekatan statistik. Dari data gelombang gravitasi, mereka bisa menentukan area di langit tempat peristiwa itu berasal, meski dengan ketidakpastian yang cukup besar. Kemudian mereka mengambil katalog galaksi dalam area itu dan menggunakan distribusi redshift galaksi-galaksi tersebut sebagai informasi pembatas secara statistik.
Hasilnya tentu tidak sepresisi sirene terang, tapi jumlah peristiwa gelombang gravitasi tanpa cahaya jauh lebih banyak — sehingga dengan cukup banyak data, metode ini bisa menghasilkan pengukuran yang cukup akurat. Dari analisis 46 sirene gelap menggunakan data GWTC-3 (katalog deteksi gelombang gravitasi ketiga), diperoleh H₀ = 67 km/s per Megaparsec, dengan ketidakpastian sekitar +13/-12. Dengan kata lain, nilai sebenarnya kemungkinan berada di rentang 55–80 km/s per Megaparsec.
3. Sirene Spektral: Membaca Massa sebagai Penunjuk Jarak
Pendekatan ketiga lebih tidak langsung dan cerdik. Gelombang gravitasi dari tabrakan dua lubang hitam memberikan informasi tentang massa gabungan keduanya — tapi massa yang terukur sudah mengalami pergeseran akibat perluasan alam semesta. Dengan membuat asumsi tentang distribusi massa lubang hitam secara umum, para ilmuwan bisa membalikkan hubungan ini untuk mendapatkan informasi redshift.
Metode ini disebut spectral sirens. Ia memanfaatkan kenyataan bahwa distribusi massa lubang hitam memiliki pola khas — ada "tonjolan" di sekitar 35 massa Matahari yang bisa dijadikan patokan. Dari 42 tabrakan lubang hitam dalam GWTC-3, metode ini menghasilkan H₀ = 68 km/s per Megaparsec ketika digabungkan dengan data GW170817.
Catatan: Ketiga metode ini sebenarnya adalah variasi dari prinsip yang sama — mencocokkan jarak (dari gelombang gravitasi) dengan redshift (dari sumber informasi yang berbeda). Para peneliti menekankan bahwa sirene gelap dengan katalog galaksi dan sirene spektral sebaiknya diterapkan secara bersamaan, karena keduanya saling melengkapi.
Di Mana Kita Sekarang?
Jika dibandingkan dengan metode lain yang sudah lebih matang seperti pengukuran CMB atau supernova tipe Ia, pengukuran dari gelombang gravitasi saat ini belum bisa menyaingi ketelitiannya. Hasil terbaik yang ada sejauh ini mencapai sekitar 7% ketidakpastian — masih terlalu lebar untuk memutuskan siapa yang benar dalam debat Hubble Tension.
Tapi ini adalah teknologi yang baru berusia sekitar satu dekade. Deteksi pertama gelombang gravitasi baru terjadi pada 2015. Dan perkembangannya sangat pesat.
Para peneliti memperkirakan bahwa selama observing run kelima detektor LIGO/Virgo/KAGRA — yang direncanakan mulai pada sekitar 2027 — ketidakpastian pengukuran H₀ dari gelombang gravitasi bisa diperkecil hingga sekitar 2%. Itu adalah ambang batas yang cukup untuk benar-benar menempatkan gelombang gravitasi sebagai peserta serius dalam debat Hubble Tension.
Tantangan yang Masih Harus Diselesaikan
Perjalanan menuju pengukuran yang presisi bukan tanpa hambatan.
Salah satu masalah terbesar adalah degenerasi antara jarak dan sudut pandang terhadap sistem binary. Dari gelombang gravitasi saja, sulit membedakan apakah sebuah sistem binary jauh dan "menghadap" ke kita, ataukah ia dekat tapi "miring" relatif terhadap garis pandang kita. Kedua konfigurasi ini bisa menghasilkan sinyal yang mirip. Untuk mengatasi ini, observasi elektromagnetik dari kilonova atau afterglow jet bisa membantu memecah ambiguitas tersebut.
Tantangan lain muncul dari kecepatan aneh galaksi — gerak galaksi yang bukan karena pengembangan alam semesta, tapi karena tarikan gravitasi lokal dari galaksi-galaksi tetangganya. Untuk GW170817, ketidakpastian soal kecepatan aneh galaksi induknya NGC 4993 menjadi salah satu sumber kesalahan pengukuran terbesar.
Katalog galaksi yang tidak lengkap juga menjadi kendala untuk sirene gelap. Kebanyakan survei galaksi hanya bisa mendeteksi galaksi yang cukup terang — galaksi-galaksi yang terlalu redup dan jauh tidak tercatat. Semakin jauh sumber gelombang gravitasinya, semakin besar kemungkinan galaksi induknya tidak ada dalam katalog.
Apa yang Bisa Diharapkan di Masa Depan?
Dalam satu dekade ke depan, dua detektor generasi berikutnya sedang dalam tahap perencanaan: Einstein Telescope di Eropa dan Cosmic Explorer di Amerika Serikat. Keduanya diharapkan mampu mendeteksi hampir seluruh populasi tabrakan bintang kompak di alam semesta yang dapat diamati.
Dengan kemampuan deteksi sebesar itu, pengukuran H₀ dari gelombang gravitasi bisa mencapai ketidakpastian di bawah 1%. Pada titik itu, gelombang gravitasi bukan lagi sekadar pendatang baru dalam kosmologi — melainkan salah satu alat paling presisi yang pernah dimiliki manusia untuk memahami ekspansi alam semesta.
Apakah Hubble Tension benar-benar menunjukkan fisika baru di luar model standar? Atau ia hanyalah artefak dari kesalahan sistematis dalam metode pengukuran yang ada? Gelombang gravitasi mungkin adalah satu-satunya saksi yang cukup independen untuk menjawab pertanyaan itu.
Ditulis berdasarkan: Palmese, A. & Mastrogiovanni, S. (2025). Gravitational Wave Cosmology. arXiv:2502.00239v1