Lubang hitam

Lubang hitam adalah wilayah ruang dari mana tidak ada yang bisa melarikan diri, menurut teori relativitas umum, itu adalah hasil dari melengkungnya ruang-waktu yang disebabkan oleh massa yang sangat besar. Di sekitar lubang hitam ada posisi tidak bisa kembali, yang disebut cakrawala peristiwa. Disebut "hitam" karena menyerap semua cahaya yang mengenainya, tidak memantulkan apa pun, seperti benda hitam sempurna dalam termodinamika.

Berdasarkan teori mekanika kuantum, lubang hitam memiliki suhu dan memancarkan radiasi Hawking, yang membuatnya perlahan-lahan mengecil.

Lubang hitam ditemukan melalui interaksinya dengan materi. Kehadiran lubang hitam dapat disimpulkan dengan melacak pergerakan sekelompok bintang yang mengorbit suatu wilayah di ruang angkasa. Atau, ketika gas jatuh ke dalam lubang hitam yang disebabkan oleh bintang pendamping atau nebula, gas berputar ke dalam, memanas hingga suhu yang sangat tinggi dan memancarkan radiasi dalam jumlah besar. Radiasi ini dapat dideteksi dari teleskop yang mengorbit Bumi dan Bumi.

Para astronom juga telah menemukan bukti adanya lubang hitam supermasif di pusat hampir semua galaksi. Setelah mengamati gerak bintang-bintang di dekatnya selama 16 tahun, pada tahun 2008 para astronom menemukan bukti kuat bahwa lubang hitam supermasif bermassa lebih dari 4 juta massa matahari berada di dekat wilayah Sagittarius A* di pusat galaksi Bima Sakti. Di dalam lubang hitam, aturan fisika sangat berbeda.

Lubang hitam supermasif di dalam inti galaksi elips supergiant Messier 87 di konstelasi Virgo. Lubang hitam ini adalah yang pertama kali dicitrakan secara langsung (Event Horizon Telescope, dirilis 10 April 2019).

Simulasi pelensaan gravitasi oleh lubang hitam, yang mendistorsi gambar galaksi di latar belakang (animasi yang lebih besar)

Sejarah

Pada tahun 1783, seorang pendeta Inggris bernama John Michell menulis bahwa mungkin saja sesuatu menjadi begitu berat sehingga Anda harus melaju dengan kecepatan cahaya untuk menjauh dari gravitasinya. Gravitasi semakin kuat ketika sesuatu menjadi lebih besar atau lebih masif. Untuk sesuatu yang kecil, seperti roket, untuk melarikan diri dari sesuatu yang lebih besar, seperti Bumi, ia harus melepaskan diri dari tarikan gravitasi kita atau ia akan jatuh kembali. Kecepatan yang harus ditempuh roket ke atas untuk menjauh dari gravitasi Bumi disebut escape velocity. Planet-planet yang lebih besar (seperti Jupiter) dan bintang-bintang memiliki massa yang lebih besar, dan memiliki gravitasi yang lebih kuat daripada Bumi. Karena itu, kecepatan lepasnya jauh lebih cepat. John Michell berpikir bahwa mungkin saja ada sesuatu yang begitu besar sehingga kecepatan lepasnya akan lebih cepat daripada kecepatan cahaya, sehingga cahaya pun tidak bisa lepas. Pada tahun 1796, Pierre-Simon Laplace mempromosikan ide yang sama dalam edisi pertama dan kedua dari bukunya Exposition du système du Monde (dihapus dari edisi selanjutnya).

Beberapa ilmuwan berpikir bahwa Michell mungkin benar, tetapi yang lain berpikir bahwa cahaya tidak memiliki massa dan tidak akan ditarik oleh gravitasi. Teorinya pun dilupakan.

Pada tahun 1916 Albert Einstein menulis penjelasan tentang gravitasi yang disebut relativitas umum.

Massa menyebabkan ruang (dan ruang-waktu) melengkung, atau melengkung. Benda-benda yang bergerak "jatuh bersama" atau mengikuti kurva di ruang angkasa. Inilah yang kita sebut gravitasi.
Cahaya selalu bergerak dengan kecepatan yang sama, dan dipengaruhi oleh gravitasi. Jika tampaknya berubah kecepatan, itu benar-benar bergerak di sepanjang kurva di ruang-waktu.

Beberapa bulan kemudian, saat bertugas dalam Perang Dunia I, fisikawan Jerman Karl Schwarzschild menggunakan persamaan Einstein untuk menunjukkan bahwa lubang hitam bisa ada. Pada tahun 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar meramalkan bahwa bintang-bintang yang lebih berat dari matahari dapat runtuh ketika mereka kehabisan hidrogen atau bahan bakar nuklir lainnya untuk dibakar. Pada tahun 1939, Robert Oppenheimer dan H. Snyder menghitung bahwa sebuah bintang harus setidaknya tiga kali lebih masif dari Matahari untuk membentuk lubang hitam. Pada tahun 1967, John Wheeler menemukan nama "lubang hitam" untuk pertama kalinya. Sebelum itu, mereka disebut "bintang gelap".

Pada tahun 1970, Stephen Hawking dan Roger Penrose menunjukkan bahwa lubang hitam pasti ada. Meskipun lubang hitam tidak terlihat (tidak dapat dilihat), beberapa materi yang jatuh ke dalamnya sangat terang.

Pembentukan lubang hitam

Keruntuhan gravitasi

Keruntuhan gravitasi bintang-bintang besar (bermassa tinggi) menyebabkan lubang hitam "massa bintang". Pembentukan bintang di alam semesta awal mungkin telah menghasilkan bintang-bintang yang sangat masif, yang pada saat runtuh akan menghasilkan lubang hitam hingga 10³ massa matahari. Lubang hitam ini mungkin merupakan benih dari lubang hitam supermasif yang ditemukan di pusat sebagian besar galaksi.

Sebagian besar energi yang dilepaskan dalam keruntuhan gravitasi dipancarkan dengan sangat cepat. Seorang pengamat yang jauh melihat materi yang jatuh melambat dan berhenti tepat di atas cakrawala peristiwa, karena dilatasi waktu gravitasi. Cahaya yang dipancarkan tepat sebelum cakrawala peristiwa tertunda dalam jumlah waktu yang tak terbatas. Jadi pengamat tidak pernah melihat pembentukan cakrawala peristiwa. Sebaliknya, materi yang runtuh tampaknya menjadi lebih redup dan semakin bergeser merah, akhirnya memudar.

Lubang hitam supermasif

Lubang hitam juga telah ditemukan di tengah-tengah hampir setiap galaksi di alam semesta yang dikenal. Lubang hitam ini disebut lubang hitam supermasif (SBH), dan merupakan lubang hitam terbesar dari semuanya. Lubang-lubang hitam ini terbentuk ketika alam semesta masih sangat muda, dan juga membantu membentuk semua galaksi.

Quasar diyakini didukung oleh gravitasi yang mengumpulkan materi ke dalam SBH di pusat galaksi yang jauh. Cahaya tidak dapat lolos dari SBH di pusat quasar, sehingga energi yang keluar dibuat di luar cakrawala peristiwa oleh tekanan gravitasi dan gesekan yang sangat besar pada materi yang masuk.

Massa pusat yang besar (10⁶ hingga 10⁹ massa matahari) telah diukur dalam quasar. Beberapa lusin galaksi besar di dekatnya, tanpa tanda inti quasar, mengandung lubang hitam pusat yang serupa di inti mereka. Oleh karena itu, diperkirakan bahwa semua galaksi besar memilikinya, tetapi hanya sebagian kecil yang aktif (dengan akresi yang cukup untuk menyalakan radiasi) sehingga terlihat sebagai quasar.

Efek pada cahaya

Di tengah-tengah lubang hitam, ada pusat gravitasi yang disebut singularitas. Mustahil untuk melihat ke dalamnya karena gravitasi mencegah cahaya apa pun keluar. Di sekitar singularitas kecil, ada area yang luas di mana cahaya yang biasanya lewat akan tersedot juga. Tepi area ini disebut cakrawala peristiwa. Area di luar cakrawala peristiwa adalah lubang hitam. Gravitasi lubang hitam semakin lemah dari kejauhan. Horizon peristiwa adalah tempat terjauh dari tengah di mana gravitasi masih cukup kuat untuk menjebak cahaya.

Di luar cakrawala peristiwa, cahaya dan materi masih akan ditarik ke arah lubang hitam. Jika lubang hitam dikelilingi oleh materi, materi tersebut akan membentuk "cakram akresi" (akresi berarti "pengumpulan") di sekitar lubang hitam. Disk akresi terlihat seperti cincin Saturnus. Saat tersedot, materi menjadi sangat panas dan menembakkan radiasi sinar-x ke ruang angkasa. Anggap saja ini seperti air yang berputar di sekitar lubang hitam sebelum jatuh ke dalam lubang hitam.

Sebagian besar lubang hitam terlalu jauh bagi kita untuk melihat piringan akresi dan jet. Satu-satunya cara untuk mengetahui keberadaan lubang hitam adalah dengan melihat perilaku bintang, gas, dan cahaya di sekitarnya. Dengan adanya lubang hitam di dekatnya, bahkan objek sebesar bintang pun bergerak dengan cara yang berbeda, biasanya lebih cepat daripada jika lubang hitam tidak ada di sana.

Karena kita tidak dapat melihat lubang hitam, lubang hitam harus dideteksi dengan cara lain. Ketika lubang hitam melintas di antara kita dan sumber cahaya, cahaya akan melengkung di sekitar lubang hitam dan menciptakan bayangan cermin. Efek itu disebut pelensaan gravitasi.

Gambar artis: lubang hitam yang menarik lapisan luar bintang di dekatnya. Lubang hitam dikelilingi oleh piringan energi, yang membuat pancaran radiasi.

Einstein's Cross: empat gambar dari satu quasar

Radiasi Hawking

Radiasi Hawking adalah radiasi benda hitam yang dipancarkan oleh lubang hitam, karena efek kuantum di dekat horizon peristiwa. Radiasi ini dinamai sesuai dengan nama fisikawan Stephen Hawking, yang memberikan argumen teoretis untuk keberadaannya pada tahun 1974.

Radiasi Hawking mengurangi massa dan energi lubang hitam dan oleh karena itu juga dikenal sebagai penguapan lubang hitam. Ini terjadi karena pasangan partikel-antipartikel virtual. Karena fluktuasi kuantum, ini adalah ketika salah satu partikel jatuh dan yang lainnya lolos dengan energi / massa. Karena itu, lubang hitam yang kehilangan lebih banyak massa daripada yang mereka peroleh melalui cara lain diperkirakan akan menyusut dan akhirnya lenyap. Lubang hitam mikro (MBH) diprediksi menjadi pemancar radiasi bersih yang lebih besar daripada lubang hitam yang lebih besar dan harus menyusut dan menghilang lebih cepat.

Pertanyaan dan Jawaban

T: Apa itu lubang hitam?

J: Lubang hitam adalah sebuah wilayah ruang angkasa yang darinya tidak ada sesuatu pun, bahkan cahaya sekalipun, yang bisa lolos. Lubang hitam mulai ada ketika ruang-waktu dilengkungkan oleh massa yang sangat besar dan memiliki cakrawala peristiwa yang tidak bisa ditinggalkan oleh apa pun di dalamnya.

T: Mengapa lubang hitam itu hitam?

J: Lubang hitam berwarna hitam karena lubang hitam menyerap semua cahaya yang mengenainya dan tidak memantulkan apa pun, seperti benda hitam sempurna dalam termodinamika.

T: Bagaimana orang menemukan lubang hitam?

J: Orang menemukan lubang hitam dengan melacak pergerakan bintang yang mengorbit di suatu tempat di luar angkasa atau ketika gas jatuh ke dalam lubang hitam dan memanas dan menjadi sangat terang, yang dapat dilihat dengan teleskop di Bumi atau teleskop yang mengorbit Bumi.

T: Apakah ada lubang hitam supermasif?

J: Ya, para astronom telah menemukan bukti adanya lubang hitam supermasif di pusat hampir semua galaksi. Pada tahun 2008, para astronom menemukan bukti bahwa lubang hitam supermasif yang bermassa lebih dari empat juta massa matahari berada di dekat Sagittarius A* bagian dari galaksi Bima Sakti.

T: Apakah mekanika kuantum memengaruhi cara kita memandang lubang hitam?

J: Ya, di bawah mekanika kuantum, lubang hitam memiliki suhu dan memancarkan radiasi Hawking, yang membuatnya perlahan-lahan menjadi lebih kecil.

T: Apa yang terjadi di dalam lubang hitam?

J: Di dalam lubang hitam, aturan fisika sangat berbeda dari apa yang kita alami di Bumi.