Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Melihat Si Lubang Hitam

Mari bayangkan ketika kita melemparkan batu ke atas. Apa yang terjadi dengan batu tersebut? Ia akan naik ke atas lalu turun kembali. Sekarang bayangkan apa yang terjadi kalau kita melemparkan batu dengan lebih kencang. Batu itu akan terlempar makin tinggi, bukan? Nah, bayangkan kita melemparnya dengan lebih kencang lagi. Akan ada kecepatan tertentu sehingga batu tersebut tidak akan balik kembali, seperti sebuah roket yang “dilemparkan” dengan kecepatan yang sangat besar sehingga roket tidak kembali lagi ke bumi.

Sekarang, bayangkan kita melemparkan batu di planet lain yang gaya tarik gravitasinya lebih besar dibandingkan dengan di Bumi. Karena gravitasinya lebih besar, ketinggian batu di planet itu akan lebih rendah dibandingkan ketika kita melemparkan batu dengan kecepatan yang sama di bumi. Artinya, kecepatan yang diperlukan batu di planet lain untuk tidak kembali lagi ke permukaan akan lebih besar. Satu contoh, jika kecepatan minimal batu di Bumi untuk tidak kembali lagi adalah 11 km/s, di Jupiter kecepatan minimal batu untuk tidak kembali lagi adalah 60 km/s.

Uniknya di alam semesta ini, ada tempat-tempat tetentu yang secara teoretis memiliki gaya gravitasi yang superkuat sehingga batu yang bergerak dengan kecepatan cahaya (300.000 km/detik) pun tidak akan bisa keluar dari tempat ini. Itulah lubang hitam (black hole), yang mendapat sebutan “hitam” karena tampak gelap akibat cahaya tidak dapat keluar darinya.

Gravitasi di dekat lubang hitam sangat besar, sehingga teori yang paling tepat untuk menjelaskan tentang lubang hitam adalah teori relativitas umum Einstein. Menurut teori relativitas, pada sekitar lubang hitam terdapat sebuah daerah khusus yang bernama “horison peristiwa” (event horizon).  Secara klasik seluruh benda yang berada lebih dekat horizon peristiwa tidak dapat lagi keluar dari lubang hitam walaupun bergerak dengan kecepatan cahaya. Perlu diingat, kecepatan paling cepat yang mungkin menurut teori relativitas Einstein adalah kecepatan cahaya sehingga tidak ada sebuah benda pun yang dapat keluar dari horizon peristiwa, termasuk cahaya.

Nah, teman-teman mungkin bertanya-tanya, “Kalau tidak ada yang bisa keluar dari lubang hitam, bagaimana cara kita ‘melihat’ si lubang hitam?” Para ilmuwan tidak kehabisan akal. Dalam berbagai upaya ilmuwan terdahulu, umumnya lubang hitam dapat dilihat dengan cara tidak langsung. Salah satu contohnya pada kasus lubang hitam V404 Cygni. Di dekat lubang hitam tersebut terdapat suatu bintang biasa yang mirip matahari. Karena gravitasi yang sangat kuat dari lubang hitam, materi dari bintang akan tersedot oleh lubang hitam.  Materi ini termampatkan oleh gravitasi lubang hitam sehingga memancarkan sinar-X yang sangat kuat. Sinar-X inilah yang dapat dideteksi dari bumi sehingga secara tidak terlihat langsung kita dapat menduga adanya lubang hitam pada V404 Cygni.

Gambar atau citra lubang hitam yang ditemukan di internet maupun buku teks dulu hanyalah berupa karya seni seniman atau hasil simulasi disertai informasi-informasi dari ilmuwan melalui pengamatan tidak langsung. Untuk bisa melihat lubang hitam secara “langsung”, para ilmuwan kemudian mempersiapkan apa saja yang dibutuhkan di Bumi agar cahaya sekitar lubang hitam dapat tertangkap.

Ingat lagi, lubang hitam ini secara teoretis sangatlah padat, massanya sangat besar, gravitasinya sangat kuat, sampai pada suatu batas atau horizon tidak ada yang bisa lolos, termasuk cahaya (dan semua golongan dari gelombang elektromagnetik). Batas ini tadi disebut sebagai horizon peristiwa. Jadi, walaupun kita tidak bisa melihat lubang hitamnya, kita semestinya bisa melihat bentuk dari horizon peristiwa. Dengan tinjauan tersebut, kendala yang ada di Bumi pada dasarnya adalah resolusi teleskop.

Pada sebuah teleskop, agar resolusinya semakin baik, diameter dari teleskop tersebut harus semakin besar. Di Bumi tidak ada teleskop yang ukurannya cukup besar untuk memotret cahaya sekitar lubang hitam, saking jauhnya (saking kecilnya) titik lubang hitam di alam semesta yang ingin difoto oleh para ilmuwan dari Bumi. Andai saja matahari bisa menjadi lubang hitam, diameter lubang hitam dari matahari itu diprediksi hanya sekitar 6 km. Padahal, dengan diameter matahari yang masih “hidup” saat ini sebesar 1,4 juta km, ukuran lingkaran matahari yang terlihat dari Bumi sudah “muat” dalam capitan dua jari (jempol dan telunjuk) kita. Bayangkan jika ukurannya beratus ribu kali lebih kecil, pasti sangat susah memperoleh gambarnya.

Sebagai catatan, matahari kita sebetulnya kalaupun nanti mati itu tidak akan menjadi sebuah lubang hitam karena massanya tidak cukup besar. Untuk menjadi sebuah lubang hitam, sebuah bintang harus memiliki massa awal minimal sekitar sepuluh kali massa matahari. Jika matahari kita nanti mati, keadaan akhirnya adalah sebuah bintang katai putih.

Lubang hitam yang sudah ada dan mungkin bisa menjadi kandidat untuk difoto adalah lubang hitam di pusat galaksi. Lubang hitam secara alami memang mestinya ada di tengah galaksi. Sebagai contoh, di pusat galaksi Bima Sakti atau “Milky Way” secara teoretis dan pengamatan tidak langsung diyakini ada lubang hitam. Coba kita lihat gambar galaksi kita, di tengahnya ada “sesuatu” yang menarik semua objek di sekelilingnya. Pada gambar terlihat semakin tengah semakin terang. Namun, yang menarik semua objek itu pastilah lubang hitam yang berupa titik kecil. Sepertinya mustahil untuk bisa mendapatkan foto titik itu.

Teman-teman yang suka fotografi pasti tahu sulitnya memfoto benda gelap kecil yang dikelilingi benda terang bercahaya. Itulah masalahnya! Galaksi kita terbentang sejauh 100.000 tahun cahaya, sedangkan ukuran lubang hitam di pusatnya hanya berdiameter 8 menit cahaya. Dengan alasan ini, para ilmuwan mencoba mengalihkan perhatian pada lubang hitam yang berada di galaksi selain Bima Sakti. Salah satu yang jadi target mereka adalah lubang hitam di pusat galaksi M87 yang berjarak 53.500.000 tahun cahaya dari bumi, dengan diameter yang diperkirakan sebesar 120 tahun cahaya.

Untuk memfoto lubang hitam di pusat galaksi M87, para ilmuwan memperkirakan sekurang-kurangnya dibutuhkan sebuah teleskop seukuran diameter Bumi! Bagaimana caranya membuat teleskop seperti itu? Mereka pantang menyerah. Permasalahan resolusi teleskop ternyata bisa diakali dengan menggabungkan teleskop-teleskop yang ada di Bumi ke dalam jaringan teleskop sehingga seolah-olah ada satu teleskop seukuran diameter Bumi. Kolaborasi ilmuwan teleskop sedunia ini dinamakan “Event Horizon Telescope” (EHT).

Kolaborasi EHT terdiri dari beberapa teleskop besar di dunia, dengan posisi uniknya masing-masing. Sederhananya, teleskop-teleskop memfoto ke arah yang sama di waktu yang persis sama, lalu hasilnya digabungkan. Kita bisa menganalogikan proses perburuan foto lubang hitam ini seperti menyelesaikan puzzle. Satu teleskop di tempat tertentu di Bumi ini memiliki satu keping puzzle foto lubang hitam, sementara teleskop di tempat lain memiliki kepingan puzzle lainnya. Ketika beberapa teleskop dengan masing-masing kepingan puzzle itu digabungkan, seharusnya para ilmuwan akan mampu merekonstruksi foto lubang hitam, tentunya dengan teknologi tertentu.

Jaringan dari Event Horizon Telescope.

Tanggal 10 April 2019 kemudian menjadi hari bersejarah. Para ilmuwan EHT berhasil mendapatkan sebuah citra lubang hitam di pusat galaksi Messier 87 (M87), yang termasuk golongan lubang hitam supermasif dengan massa miliaran kali massa matahari. Kolaborasi EHT ini telah bekerja keras dalam suatu proses yang memakan waktu lebih dari 2 tahun untuk mengumpulkan data-data foto hingga akhirnya dapat direkonstruksi menjadi satu foto lubang hitam.

Terhitung mulai 10 April 2019, lubang hitam yang selama ini cukup sering dipandang sebagai objek fiksi ilmiah, sekarang telah menjadi fakta yang tak terbantahkan. Lubang hitam yang selama ini ditampilkan lewat karya seni atau hasil simulasi, sekarang telah kita lihat benar wajah aslinya, dan memang sesuai prediksi teori gravitasi Einstein.

Bukti Teori Relativitas Umum Einstein

Einstein mempublikasikan teori gravitasinya sekitar seabad lalu, tahun 1915. Tidak lama berselang setelah karya Einstein ini, astronom Jerman Karl Schwarzschild berhasil menemukan solusi eksaknya. Penemuan oleh Karl Schwarzschild sebenarnya di luar perkiraan Einstein sendiri karena menurut sang pencetus teori, sistem persamaan diferensial parsial yang terlibat dalam teori tersebut terlalu sulit untuk ditemukan solusi eksaknya. Solusi Schwarzschild ini menggambarkan struktur ruang-waktu kosong, dan ini benar-benar mencerminkan situasi yang terjadi di luar lubang hitam.

Menurut teori gravitasi Einstein, atau sering dikenal sebagai teori relativitas umum, gravitasi adalah manifestasi kelengkungan ruangwaktu. Dalam teori gravitasi Einstein, tidak dikenal istilah gaya gravitasi. Pergerakan benda, baik bermassa atau tidak bermassa, akan mengikuti lintasan geodesiknya yang didikte oleh kelengkungan ruang-waktu yang “dihuni” oleh benda tersebut. Lintasan cahaya yang melengkung di dekat benda bermassa juga dapat dipahami serupa, itulah lintasan geodesiknya.

Lubang hitam merupakan objek yang melengkungkan ruang-waktu di sekitarnya secara ekstrem, dan jika cahaya melintas pada jarak tertentu dari pusat kelengkungan ruang-waktu lubang hitam, lintasan klasik cahaya tersebut dipastikan menuju ke pusat kelengkungan. Dalam bahasa sederhana, sekalinya cahaya berada pada radius tertentu dari pusat gravitasi lubang hitam, cahaya tidak dapat lepas menjauhi lubang hitam. Permukaan itu adalah horizon peristiwa, sementara lubang hitam adalah singularitas yang dibungkus oleh horizon peristiwa. Singularitas yang dimaksud di sini adalah termampatkannya sebuah massa hingga menempati volume yang sangat kecil, lebih kecil dari ukuran horizon peristiwa, atau malah mungkin volumenya benar-benar nol.

Gelombang elektromagnetik, termasuk cahaya, saat melintas dekat lubang hitam tidak hanya terbelokkan, tetapi juga dapat memiliki orbit melingkar jika berjarak pada radius tertentu dari pusat gravitasi sebuah lubang hitam. Tentunya, radius lintasan melingkar ini haruslah lebih besar dari radius horizon peristiwa lubang hitam tempat cahaya mengorbit. Namun, agar cahaya dimungkinkan sampai ke pengamat yang berada jauh dari lubang hitam, orbit melingkar ini harus tidak stabil. Fenomena ini dikenal sebagai cincin foton dan dapat dijadikan sebagai penanda keberadaan lubang hitam di daerah sekitar pengamatan astronomis. Jari-jari cincin foton ini akan membesar seiring membesarnya massa lubang hitam.

Citra lubang hitam pertama yang bisa dilihat langsung oleh manusia, sebagaimana diumumkan kolaborasi EHT pada Rabu 10 April 2019 malam WIB.

Perhatikan gambar/citra lubang hitam. Kolaborasi EHT benar-benar mendapatkan foto lubang hitam yang sesuai perkiraan dengan bentuk cincin fotonnya. Salah satu interpretasi dari gambar lubang hitam tangkapan EHT adalah verifikasi orbit melingkar gelombang elektromagnetik di sekitar lubang hitam, tepat sebagaimana diperkirakan teori gravitasi Einstein.

Citra tersebut didapat dari penggabungan data yang diterima berbagai stasiun teleskop di permukaan bumi, yang kombinasinya dapat dipandang sebagai stasiun penerima virtual berupa lensa kurang lebih sebesar permukaan bumi. Untuk dapat melihat objek di pusat galaksi M87 memang diperlukan daya perbesaran yang luar biasa kuat. Apa yang dilakukan kolaborasi EHT dalam meneropong lubang hitam di pusat M87 ini seperti seseorang dapat melihat nyamuk yang terletak di Merauke dari orang yang sedang berada di Sabang.

Kerja keras kolaborasi EHT ini adalah permulaan era baru dalam pengamatan lubang hitam dan teori gravitasi dalam pengaruh medan kuat. Seiring perkembangan teknik pengamatan luar angkasa dan pengolahan data, teori gravitasi Einstein akan diuji sampai  pada tahapan kemungkinan teori tersebut dapat gagal. Saat ini teori gravitasi Einstein memang masih memiliki beberapa masalah teoretis yang besar, di antaranya adalah sangat sulitnya menggabungkan teori gravitasi Einstein dengan teori kuantum. Data-data lebih jauh terkait fenomena di sekitar lubang hitam diharapkan dapat memberikan petunjuk terkait arah pencarian gabungan dari teori gravitasi Einstein dan teori kuantum.

Pelajaran penting lainnya yang perlu kita renungkan, ketika para ilmuwan dari berbagai negara melepaskan ego identitasnya masing-masing, mereka mampu bersama-sama membuat jaringan teleskop, sistem dan algoritma untuk menangkap citra dari titik kecil hitam di tengah segala yang terang dengan sangat jelas. Sungguh begitu besar dan pentingnya bekerja sama untuk mencapai hasil yang luar biasa bagi peradaban modern. Ini bukan kali pertama kolaborasi dalam skala masif menghasilkan penemuan gemilang. Kita tentu ingat gelombang gravitasi yang dikonfirmasi pada eksperimen tahun 2015, atau penemuan partikel Higgs pada tahun 2012 juga melibatkan ribuan ilmuwan dari berbagai latar belakang.

Bahan bacaan:

Penulis:

  1. Reinard Primulando, dosen fisika dan peneliti fisika partikel di Unpar Bandung.
    Kontak: reinard.primulando(at)gmail.com.
  2. Haryanto M. Siahaan, dosen fisika dan peneliti teori gravitasi di Unpar Bandung.
    Kontak: haryanto.siahaan(at)gmail.com.