Pergeseran merah gravitasi

Perpindahan merah gravitasi (dalam literatur lama disebut Einstein shift) adalah fenomena dalam ilmu fisika dan relativitas umum ketika radiasi elektromagnetik atau foton yang bergerak keluar dari sumur gravitasi mengalami kehilangan energi. Kehilangan energi tersebut berhubungan dengan penurunan frekuensi gelombang dan peningkatan panjang gelombang, yang secara umum dikenal sebagai pergeseran merah. Efek kebalikannya, ketika foton memperoleh energi saat bergerak memasuki sumur gravitasi, disebut pergeseran biru gravitasi. Fenomena ini pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein pada tahun 1907, delapan tahun sebelum teori relativitas umum dipublikasikan secara lengkap.

Perpindahan merah gravitasi dapat ditafsirkan sebagai konsekuensi dari prinsip ekuivalensi, yaitu bahwa efek gravitasi secara lokal ekuivalen dengan efek inersia, sehingga pergeseran merah dapat dipahami melalui efek Doppler. Penafsiran lain menyatakan bahwa fenomena ini muncul dari kesetaraan massa-energi dan hukum kekekalan energi, di mana foton yang jatuh ke medan gravitasi memperoleh energi. Fenomena yang sama juga dapat dipahami sebagai bentuk dilatasi waktu gravitasi pada sumber radiasi, dimana dua osilator yang berada pada potensial gravitasi berbeda akan berdetak pada laju berbeda. Osilator pada potensial gravitasi lebih tinggi (lebih jauh dari massa benda yang menghasilkan medan gravitasi, misal planet atau bintang) akan memiliki frekuensi terukur lebih tinggi daripada osilator pada potensial lebih rendah, jika diamati dari lokasi yang sama.

Dalam pendekatan pertama, besar perpindahan merah sebanding dengan perbedaan potensial gravitasi dibagi kuadrat kecepatan cahaya, , sehingga efeknya sangat kecil. Einstein pada tahun 1911 memprediksi bahwa cahaya yang keluar dari permukaan Matahari mengalami pergeseran merah sekitar 2 ppm (2 × 10-6). Sinyal navigasi dari satelit GPS pada ketinggian 20.000 km diamati mengalami pergeseran biru sekitar 0,5 ppb (5 × 10-10), yang setara dengan peningkatan kurang dari 1 Hz pada sinyal radio 1,5 GHz. Namun, dilatasi waktu gravitasi yang memengaruhi jam atom pada satelit merupakan koreksi penting bagi ketepatan navigasi. Di permukaan Bumi, potensial gravitasi berbanding lurus dengan perubahan ketinggian,  dan menghasilkan pergeseran merah sekitar 10-16 per meter perubahan elevasi.

Dalam ilmu astronomi, besar perpindahan merah gravitasi sering dinyatakan sebagai kecepatan ekuivalen melalui efek Doppler relativistik. Nilai 2 ppm pada cahaya Matahari ekuivalen dengan kecepatan menjauh sekitar 633 m/s, yang besarnya sebanding dengan gerakan konveksi di Matahari sehingga membuat pengukurannya menantang. Pada objek dengan medan gravitasi kuat, perpindahan merah dapat jauh lebih besar; misalnya cahaya dari permukaan katai putih mengalami pergeseran merah rata-rata sekitar (50 km/s)/c atau sekitar 170 ppm.

 Referensi