Black hole atau lubang hitam merupakan salah satu objek paling misterius yang pernah dipelajari manusia. Tarikan gravitasinya sangat kuat sehingga cahaya tidak dapat keluar setelah melewati batas tertentu. Karena tidak memancarkan cahaya secara langsung, keberadaannya diketahui melalui pengaruh terhadap bintang, gas, debu, dan ruang di sekelilingnya.
Penelitian tentang lubang hitam berkembang pesat berkat teleskop radio, observatorium sinar X, teleskop inframerah, serta detektor gelombang gravitasi. Ilmuwan kini dapat mengamati bayangan lubang hitam, mengukur massanya, mempelajari material yang berputar di dekatnya, dan menangkap riak ruang waktu ketika dua lubang hitam bertabrakan.
Temuan baru juga mulai mengubah pemahaman mengenai pembentukan galaksi. Lubang hitam supermasif yang ditemukan di alam semesta awal terlihat terlalu besar untuk usianya. Kondisi tersebut mendorong ilmuwan mencari penjelasan baru mengenai cara objek raksasa itu lahir dan tumbuh.
Black Hole Bukan Lubang Kosong yang Menyedot Segalanya
Istilah lubang hitam sering membuat orang membayangkan sebuah lubang raksasa yang menyedot semua benda di alam semesta. Gambaran tersebut tidak sepenuhnya tepat.
Black hole merupakan wilayah ruang dengan tarikan gravitasi sangat besar. Benda yang berada cukup jauh masih dapat bergerak mengelilinginya seperti planet mengorbit bintang.
Jika sebuah lubang hitam memiliki massa yang sama dengan Matahari dan ditempatkan di posisi Matahari, Bumi secara teori tetap mengorbit dengan jalur yang hampir sama. Perbedaannya, Bumi akan kehilangan sumber cahaya dan panas.
Bahaya muncul ketika suatu benda bergerak terlalu dekat. Di sekitar lubang hitam terdapat batas yang disebut horizon peristiwa. Benda yang telah melewati batas ini tidak dapat kembali keluar karena kecepatan yang dibutuhkan untuk melarikan diri melebihi kecepatan cahaya.
Di bagian pusatnya, teori relativitas umum memperkirakan adanya singularitas. Wilayah tersebut digambarkan memiliki kepadatan yang sangat ekstrem. Namun, kondisi sebenarnya belum dapat dijelaskan secara lengkap karena hukum fisika yang berlaku pada ukuran sangat kecil belum sepenuhnya menyatu dengan teori gravitasi.
Lubang Hitam Bisa Lahir dari Kematian Bintang
Lubang hitam memiliki ukuran dan massa yang berbeda. Salah satu jenis yang paling dikenal adalah lubang hitam bermassa bintang.
Objek ini dapat terbentuk ketika bintang berukuran besar kehabisan bahan bakar nuklir. Selama masih aktif, energi dari reaksi nuklir menahan tarikan gravitasi agar bintang tidak runtuh.
Ketika bahan bakar habis, tekanan dari dalam melemah. Inti bintang kemudian runtuh dengan sangat cepat. Lapisan luarnya dapat meledak dalam peristiwa supernova, sementara bagian inti yang tersisa menjadi benda sangat padat.
Apabila massa inti cukup besar, tidak ada gaya yang mampu menghentikan keruntuhan tersebut. Inti itu akhirnya membentuk lubang hitam.
Lubang hitam bermassa bintang umumnya memiliki massa beberapa kali sampai puluhan kali massa Matahari. Meski ukurannya relatif kecil dibandingkan galaksi, tarikan gravitasinya tetap sangat kuat.
Lubang Hitam Supermasif Bersembunyi di Pusat Galaksi
Jenis lain yang membuat ilmuwan penasaran adalah lubang hitam supermasif. Massanya dapat mencapai jutaan hingga miliaran kali massa Matahari.
Hampir setiap galaksi besar diperkirakan memiliki lubang hitam supermasif di bagian pusatnya. Galaksi Bima Sakti memiliki Sagittarius A*, sedangkan galaksi Messier 87 memiliki M87*.
Sagittarius A* memiliki massa sekitar empat juta kali massa Matahari. M87* jauh lebih besar dengan massa sekitar miliaran kali massa Matahari.
Lubang hitam supermasif tidak selalu aktif. Ketika tidak banyak material yang jatuh ke dalamnya, objek tersebut terlihat tenang. Namun, ketika menerima pasokan gas dalam jumlah besar, wilayah di sekitarnya dapat bersinar sangat terang.
Gas yang jatuh tidak langsung masuk secara lurus. Material membentuk cakram yang berputar dengan kecepatan tinggi. Gesekan dan tekanan membuat suhunya meningkat hingga menghasilkan radiasi kuat.
Foto Black Hole Sebenarnya Menampilkan Bayangannya
Black hole tidak dapat dipotret seperti bintang atau planet karena cahaya tidak dapat keluar dari bagian dalamnya. Gambar yang dikenal masyarakat sebenarnya menunjukkan bayangan lubang hitam yang dikelilingi cahaya dari material panas.
Untuk menghasilkan gambar tersebut, ilmuwan menggunakan jaringan teleskop radio yang tersebar di berbagai wilayah Bumi. Data dari seluruh teleskop digabungkan sehingga bekerja seperti sebuah teleskop virtual berukuran hampir sebesar planet.
Pada 2019, gambar pertama bayangan lubang hitam M87* diperlihatkan kepada dunia. Gambar tersebut menampilkan bagian gelap yang dikelilingi cincin berwarna terang.
Bagian gelap bukan permukaan lubang hitam, melainkan bayangan yang terbentuk karena cahaya dibelokkan oleh gravitasi ekstrem. Cincin terang berasal dari plasma panas yang bergerak sangat cepat di sekitarnya.
Beberapa tahun kemudian, ilmuwan juga memperlihatkan gambar Sagittarius A* di pusat Bima Sakti. Pengambilan gambar objek ini lebih sulit karena material di sekelilingnya berubah dalam waktu singkat.
Keberhasilan memotret bayangan lubang hitam menunjukkan bahwa objek yang dahulu hanya hadir dalam persamaan kini dapat dipelajari melalui pengamatan nyata.
M87* Ternyata Memiliki Lingkungan yang Sangat Aktif
Foto pertama M87* sempat membuat cincin di sekelilingnya terlihat relatif stabil. Pengamatan dalam beberapa tahun berbeda menunjukkan bahwa wilayah tersebut sebenarnya sangat dinamis.
Pola cahaya terpolarisasi di sekitar M87* berubah dari waktu ke waktu. Perubahan ini memberikan petunjuk mengenai susunan medan magnet dan gerakan plasma di dekat horizon peristiwa.
Medan magnet mempunyai peran besar dalam mengatur aliran material. Sebagian gas bergerak masuk menuju lubang hitam, sedangkan sebagian lainnya dapat terdorong keluar dalam bentuk jet.
Ukuran cincin M87* tetap relatif sesuai dengan prediksi relativitas umum. Namun, distribusi cahaya dan arah medan magnet dapat berubah.
Temuan tersebut membantu ilmuwan menguji apakah teori Einstein tetap berlaku di lingkungan dengan gravitasi ekstrem. Sejauh ini, bentuk bayangan lubang hitam masih menunjukkan kecocokan yang kuat dengan perhitungan relativitas umum.
Jet Raksasa Menembakkan Partikel Melintasi Galaksi
Salah satu keunikan M87* adalah jet raksasa yang memanjang ribuan tahun cahaya. Jet tersebut terdiri atas partikel berenergi tinggi yang bergerak mendekati kecepatan cahaya.
Lubang hitam memang dikenal menarik material, tetapi tidak semua gas berhasil masuk. Sebagian material yang berada di cakram akresi dapat diarahkan menuju kutub dan ditembakkan keluar.
Medan magnet dipercaya menjadi pengatur utama proses ini. Garis medan magnet yang terpuntir akibat rotasi cakram dan lubang hitam dapat menyalurkan energi dalam jumlah sangat besar.
Ilmuwan masih mempelajari lokasi awal terbentuknya jet. Mereka ingin mengetahui seberapa dekat proses tersebut terjadi dari horizon peristiwa dan berapa banyak energi yang berasal dari rotasi lubang hitam.
Pengamatan dilakukan menggunakan berbagai panjang gelombang, termasuk radio, inframerah, cahaya tampak, sinar X, dan sinar gamma. Setiap instrumen memperlihatkan bagian berbeda dari jet.
Teleskop James Webb Menemukan Lubang Hitam Sangat Tua
Teleskop Luar Angkasa James Webb membuka kesempatan untuk melihat alam semesta ketika usianya masih sangat muda. Cahaya dari objek yang diamati telah menempuh perjalanan selama miliaran tahun.
Pengamatan James Webb menemukan sejumlah galaksi kecil dengan lubang hitam yang ukurannya sangat besar dibandingkan jumlah bintang di sekitarnya.
Temuan tersebut menimbulkan pertanyaan karena lubang hitam supermasif seharusnya membutuhkan waktu sangat lama untuk tumbuh. Lubang hitam kecil harus terus memakan gas atau bergabung dengan objek lain hingga massanya mencapai jutaan kali massa Matahari.
Namun, beberapa lubang hitam besar telah ada ketika alam semesta baru berumur beberapa ratus juta tahun. Waktu yang tersedia tampak terlalu singkat jika pertumbuhannya dimulai dari sisa bintang biasa.
Salah satu penjelasan yang sedang dipelajari adalah keruntuhan langsung. Dalam skenario ini, awan gas berukuran sangat besar runtuh menjadi lubang hitam tanpa terlebih dahulu membentuk bintang.
Benih awalnya dapat memiliki massa jauh lebih besar daripada lubang hitam hasil kematian bintang. Kondisi tersebut membuatnya lebih mudah berkembang menjadi lubang hitam supermasif.
Little Red Dots Membingungkan Para Astronom
James Webb juga menemukan objek kecil berwarna merah yang kemudian dikenal sebagai Little Red Dots. Objek tersebut banyak ditemukan pada alam semesta awal.
Warnanya yang merah dapat berasal dari beberapa penyebab. Cahaya mungkin mengalami pergeseran akibat perluasan alam semesta, terhalang debu, atau dihasilkan oleh gas panas di sekitar lubang hitam aktif.
Sebagian Little Red Dots menunjukkan tanda keberadaan lubang hitam di pusatnya. Cahaya yang muncul dari wilayah kecil terlihat terlalu terang jika hanya berasal dari kumpulan bintang.
Jika banyak objek tersebut benar benar mengandung lubang hitam, berarti pembentukan lubang hitam supermasif pada alam semesta awal lebih umum daripada perkiraan.
Ilmuwan menggunakan spektroskopi untuk memisahkan cahaya dari bintang dan gas di sekitar lubang hitam. Metode ini memungkinkan mereka mempelajari komposisi unsur, suhu, dan kecepatan material.
Hasil pengamatan masih terus dianalisis. Tidak semua Little Red Dots dipastikan mempunyai lubang hitam, tetapi kelompok objek ini menjadi salah satu bahan penelitian paling menarik dalam astronomi modern.
Lubang Hitam yang Sedang Tidur Lebih Sulit Ditemukan
Lubang hitam aktif relatif mudah diketahui karena material di sekelilingnya menghasilkan cahaya terang. Berbeda dengan itu, lubang hitam yang sedang tidak memakan gas hampir tidak terlihat.
Jenis yang tenang sering disebut sebagai lubang hitam tidur. Untuk menemukannya, ilmuwan mengamati gerakan bintang di sekitarnya.
Bintang yang bergerak sangat cepat mengelilingi pusat galaksi menunjukkan adanya massa besar yang tidak terlihat. Dari kecepatan orbit tersebut, massa lubang hitam dapat dihitung.
Metode lain menggunakan efek lensa gravitasi. Massa besar dapat membelokkan cahaya dari objek yang berada lebih jauh di belakangnya.
Efek ini dapat memperbesar cahaya galaksi jauh sehingga struktur di dalamnya dapat diamati dengan lebih jelas. Dengan bantuan lensa gravitasi dan teleskop sensitif, ilmuwan mulai mengukur lubang hitam tidur dari alam semesta yang sangat jauh.
Penemuan tersebut penting karena lubang hitam aktif mungkin hanya mewakili sebagian kecil dari seluruh populasi. Banyak lubang hitam supermasif dapat berada dalam keadaan tenang dan belum terdeteksi.
Gelombang Gravitasi Membuat Tabrakan Black Hole Bisa Didengar
Lubang hitam juga dapat dipelajari tanpa menggunakan cahaya. Ketika dua lubang hitam saling mengorbit dan bertabrakan, keduanya menghasilkan gelombang gravitasi.
Gelombang gravitasi merupakan riak pada ruang waktu. Keberadaannya telah diprediksi melalui teori relativitas umum, tetapi baru berhasil dideteksi secara langsung pada 2015.
Detektor menggunakan sinar laser yang bergerak dalam lorong sangat panjang. Ketika gelombang gravitasi melewati Bumi, panjang lintasan mengalami perubahan yang sangat kecil.
Perubahannya jauh lebih kecil daripada ukuran atom, tetapi alat yang sangat sensitif mampu menangkapnya. Bentuk sinyal kemudian dianalisis untuk mengetahui massa, putaran, dan jarak lubang hitam.
Sejak deteksi pertama, banyak peristiwa penggabungan lubang hitam telah ditemukan. Setiap sinyal membantu ilmuwan memahami populasi lubang hitam di alam semesta.
Gelombang gravitasi menghadirkan cara baru untuk mengamati langit. Manusia tidak hanya melihat alam semesta melalui cahaya, tetapi juga dapat menangkap getaran ruang waktu.
Tabrakan Besar Menantang Teori Kelahiran Lubang Hitam
Beberapa tabrakan melibatkan lubang hitam dengan massa yang sulit dijelaskan melalui keruntuhan bintang biasa.
Lubang hitam yang sangat besar mungkin bukan berasal langsung dari satu bintang. Objek tersebut dapat terbentuk melalui penggabungan lubang hitam yang lebih kecil.
Setelah dua lubang hitam menyatu, hasilnya dapat bertemu dengan lubang hitam lain dan kembali bergabung. Proses berulang ini dikenal sebagai penggabungan bertingkat.
Lingkungan padat seperti gugus bintang menjadi tempat yang memungkinkan proses tersebut terjadi. Banyak bintang dan lubang hitam bergerak dalam ruang yang relatif sempit sehingga peluang pertemuan meningkat.
Pengamatan gelombang gravitasi juga memperlihatkan bahwa beberapa lubang hitam berputar sangat cepat. Arah dan kecepatan putarannya memberikan petunjuk mengenai riwayat pembentukan objek tersebut.
Apabila putarannya tidak sejalan dengan orbit pasangan, lubang hitam mungkin terbentuk di lingkungan padat melalui pertemuan acak, bukan dari dua bintang yang sejak awal hidup bersama.
Sagittarius A* Terus Mengalami Semburan Cahaya
Sagittarius A* merupakan lubang hitam supermasif terdekat yang dapat dipelajari manusia. Letaknya sekitar 26.000 tahun cahaya dari Bumi.
Meski disebut relatif tenang, lingkungan di sekitarnya tidak benar benar diam. Pengamatan inframerah menunjukkan adanya perubahan cahaya kecil yang terus terjadi.
Sesekali muncul semburan terang yang berlangsung dalam waktu singkat. Peristiwa tersebut diperkirakan berasal dari turbulensi plasma atau perubahan medan magnet di cakram akresi.
Penyambungan kembali medan magnet dapat melepaskan energi besar. Proses serupa terjadi pada Matahari dan memicu semburan, tetapi kondisi di dekat lubang hitam jauh lebih ekstrem.
Dengan mengamati perubahan cahaya, ilmuwan dapat memperkirakan ukuran wilayah pemancar. Perubahan yang berlangsung cepat menunjukkan bahwa sumbernya berasal dari area kecil dan sangat dekat dengan lubang hitam.
Bintang yang Mengorbit Membantu Mengukur Massanya
Sebelum gambar Sagittarius A* berhasil dibuat, keberadaannya telah diketahui melalui gerakan bintang di pusat Bima Sakti.
Beberapa bintang bergerak mengelilingi sebuah titik gelap dengan kecepatan sangat tinggi. Salah satu bintang menyelesaikan orbit hanya dalam waktu belasan tahun.
Dari bentuk dan kecepatan orbit, ilmuwan menghitung adanya massa sekitar empat juta kali Matahari yang terkumpul dalam wilayah sangat kecil.
Tidak ada objek lain yang diketahui mampu memiliki massa sebesar itu dalam ruang yang begitu sempit selain lubang hitam.
Pengamatan bintang juga digunakan untuk menguji relativitas umum. Ketika bintang mendekati Sagittarius A*, orbitnya mengalami perubahan kecil akibat lengkungan ruang waktu.
Hasil pengamatan sejauh ini tetap sesuai dengan prediksi Einstein. Namun, ilmuwan terus mencari penyimpangan kecil yang mungkin memberikan petunjuk mengenai teori gravitasi baru.
Radiasi Hawking Menyebut Black Hole Bisa Menguap
Dalam teori klasik, tidak ada sesuatu pun yang dapat keluar setelah melewati horizon peristiwa. Fisika kuantum menawarkan kemungkinan berbeda.
Stephen Hawking mengusulkan bahwa efek kuantum di dekat horizon membuat lubang hitam memancarkan radiasi. Pancaran tersebut dikenal sebagai radiasi Hawking.
Ketika memancarkan energi, lubang hitam kehilangan massa secara perlahan. Dalam rentang waktu yang sangat panjang, lubang hitam dapat mengecil dan akhirnya menguap.
Lubang hitam bermassa besar memiliki suhu sangat rendah sehingga proses penguapannya berlangsung amat lambat. Waktu yang dibutuhkan jauh lebih lama daripada usia alam semesta saat ini.
Radiasi Hawking dari lubang hitam di luar angkasa belum berhasil diamati secara langsung. Pancarannya terlalu lemah dan tertutup oleh radiasi lain.
Meski belum terdeteksi, gagasan tersebut menjadi sangat penting karena menghubungkan gravitasi, mekanika kuantum, dan termodinamika.
Informasi yang Masuk Menjadi Masalah Besar dalam Fisika
Mekanika kuantum menyatakan bahwa informasi mengenai keadaan suatu sistem tidak seharusnya hilang. Lubang hitam menimbulkan persoalan karena benda yang jatuh ke dalamnya tampak menghilang dari alam semesta yang dapat diamati.
Jika lubang hitam kemudian menguap melalui radiasi yang terlihat acak, muncul pertanyaan mengenai nasib informasi dari benda yang telah jatuh.
Masalah tersebut dikenal sebagai paradoks informasi lubang hitam. Para fisikawan telah mengusulkan banyak penjelasan, tetapi belum ada jawaban yang diterima secara mutlak.
Sebagian teori menyatakan bahwa informasi tersimpan pada horizon peristiwa. Pendapat lain menyebut informasi dapat keluar secara tersembunyi melalui radiasi Hawking.
Ada pula gagasan bahwa ruang dan waktu mempunyai struktur yang lebih rumit daripada yang terlihat. Penyelesaian paradoks ini dapat membantu ilmuwan membangun teori gravitasi kuantum.
Lubang hitam menjadi tempat ketika relativitas umum dan mekanika kuantum harus digunakan bersamaan. Kedua teori sangat berhasil di bidang masing masing, tetapi belum sepenuhnya selaras.
Simulasi Komputer Membantu Melihat Wilayah yang Tidak Terjangkau
Pengamatan langsung hanya memberikan sebagian informasi mengenai lubang hitam. Untuk memahami proses yang terjadi, ilmuwan menggunakan simulasi komputer.
Simulasi dapat menggambarkan aliran gas, perubahan medan magnet, pembentukan jet, dan gerakan cahaya di dekat horizon peristiwa.
Hasil simulasi kemudian dibandingkan dengan gambar teleskop. Apabila pola cahaya dan bentuk cincin sesuai, ilmuwan dapat memperkirakan kondisi fisik di sekitar lubang hitam.
Simulasi membutuhkan kemampuan komputasi sangat besar. Gerakan plasma harus dihitung menggunakan persamaan relativitas, magnet, panas, dan radiasi.
Perbedaan kecil dalam asumsi dapat menghasilkan bentuk gambar yang berbeda. Karena itu, ilmuwan mencoba banyak model untuk mengetahui skenario yang paling mendekati pengamatan.
Kecerdasan buatan juga mulai digunakan untuk mengolah data. Sistem ini membantu membersihkan gangguan, mengenali pola, dan mempercepat pencarian sinyal yang berkaitan dengan lubang hitam.
Pertanyaan tentang Bagian Dalam Masih Belum Terjawab
Horizon peristiwa menjadi batas pengamatan manusia. Informasi dari bagian dalam tidak dapat mencapai pengamat di luar.
Karena itu, ilmuwan belum mengetahui secara langsung apa yang terjadi setelah sebuah benda melewati batas tersebut. Penjelasan hanya dapat dibuat melalui teori matematika.
Relativitas umum memprediksi singularitas, tetapi banyak fisikawan menduga gambaran ini menunjukkan bahwa teori tersebut tidak lagi lengkap pada kondisi ekstrem.
Teori gravitasi kuantum mungkin menggantikan singularitas dengan struktur lain. Beberapa pendekatan mengusulkan bahwa ruang waktu memiliki satuan sangat kecil, sedangkan pendekatan lain menggambarkan lubang hitam melalui informasi di permukaannya.
Jawaban terhadap persoalan ini bukan hanya menjelaskan black hole. Penemuan tersebut dapat mengubah pemahaman mengenai ruang, waktu, materi, dan asal alam semesta.
Penelitian Terus Bergerak dengan Instrumen yang Lebih Sensitif
Event Horizon Telescope terus meningkatkan kemampuan dengan menambahkan lokasi pengamatan dan memperluas frekuensi radio yang digunakan.
Lebih banyak teleskop dapat menghasilkan gambar yang lebih tajam. Ilmuwan bahkan berharap dapat membuat rangkaian gambar yang menunjukkan perubahan material di sekitar lubang hitam dari waktu ke waktu.
Detektor gelombang gravitasi juga terus diperbarui. Peningkatan sensitivitas memungkinkan instrumen mendeteksi tabrakan yang lebih jauh dan lebih lemah.
Observatorium generasi baru dirancang untuk beroperasi di darat maupun luar angkasa. Detektor luar angkasa dapat menangkap gelombang gravitasi dengan frekuensi yang tidak dapat diamati dari permukaan Bumi.
Teleskop James Webb akan terus mencari lubang hitam dari alam semesta awal. Pengamatan tersebut dapat menentukan apakah benih pertama berasal dari kematian bintang atau keruntuhan langsung awan gas besar.
Para astronom juga memburu lubang hitam bermassa menengah yang jumlahnya masih sedikit diketahui. Objek ini dapat menjadi penghubung penting antara lubang hitam bermassa bintang dan lubang hitam supermasif.
Setiap metode pengamatan memperlihatkan sisi berbeda. Gambar radio menunjukkan bayangan dan medan magnet, sinar X memperlihatkan gas panas, inframerah menembus debu, sedangkan gelombang gravitasi menangkap tabrakan yang tidak menghasilkan cahaya terang.
Dari penggabungan seluruh data tersebut, gambaran mengenai black hole menjadi semakin tajam. Namun, bagian terdalamnya masih menyimpan rahasia yang belum dapat dijangkau oleh teleskop maupun alat buatan manusia.
