Lubang Hitam Dijelaskan: Bagaimana Mereka Terbentuk, Bekerja, dan Akhirnya Difoto

NASA mendefinisikan lubang hitam sebagai objek astronomi dengan tarikan gravitasi yang sangat kuat sehingga tidak ada apa pun, termasuk cahaya, yang dapat melariasinya. Titik tidak ada jalan keluar di sekitar lubang hitam disebut cakrawala peristiwa: di dalam batas itu, kecepatan yang diperlukan untuk melariasinya melebihi kecepatan cahaya, jadi tidak ada apa pun yang melintas dapat keluar.

Bagaimana lubang hitam terbentuk

Rute yang paling dipahami adalah keruntuhan bintang. Menurut NASA, bintang dengan lebih dari sekitar 20 kali massa Matahari akhirnya menghabiskan bahan bakar nuklir di intinya dan runtuh di bawah gravitasinya sendiri. Keruntuhan ini memicu ledakan supernova yang meledakkan lapisan luar bintang. Jika inti yang tertinggal yang dihancurkan masih melebihi sekitar tiga massa matahari, NASA menyatakan bahwa tidak ada kekuatan yang diketahui dapat menghentikan keruntuhan dari terus berlanjut hingga menjadi lubang hitam.

Setelah terbentuk, lubang hitam dapat tumbuh dengan menarik gas sekitarnya, dengan menyerik materi dari bintang pendamping, atau dengan bersatu dengan lubang hitam lain, NASA menjelaskan di halaman ikhtisar lubang hitam.

Lubang hitam supermasif, yang ditemukan di pusat galaksi dan berkisar antara sekitar 100.000 hingga miliaran massa matahari menurut NASA, kurang dipahami. NASA mencatat bahwa asal-usul mereka masih menjadi pertanyaan terbuka, karena mereka tampaknya ada sejak tahap paling awal pembentukan galaksi.

Cakrawala peristiwa, singularitas, dan bagian-bagian lubang hitam

Deskripsi NASA tentang 'anatomi' lubang hitam mencantumkan beberapa zona yang berbeda. Di pusat duduk singularitas, suatu titik di mana materi dihancurkan menjadi apa yang NASA gambarkan sebagai kepadatan tak terbatas; para ilmuwan tidak yakin apakah ini adalah struktur fisik atau artefak matematis dari persamaan. Di sekelilingnya adalah cakrawala peristiwa, batas ketiadaan pelarian. Lebih jauh, cahaya dari materi yang jatuh dapat mengorbit lubang hitam berkali-kali sebelum keluar, menghasilkan cincin tipis yang terlihat di sekitar 'bayangan' gelap lubang hitam dalam citra langsung — wilayah yang NASA sebut bola foton.

Materi yang jatuh ke arah lubang hitam biasanya membentuk piringan akresi yang panas dan bercahaya sebelum melintasi cakrawala peristiwa. Dalam banyak sistem, sebagian dari materi itu dialihkan ke dalam jet partikel yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya; dalam lubang hitam supermasif jet ini dapat merentang ratusan ribu tahun cahaya, NASA mengatakan.

Membuktikan lubang hitam ada: Penrose, Genzel, dan Ghez

Selama puluhan tahun, lubang hitam adalah konsekuensi matematis dari relativitas umum Einstein daripada kenyataan fisik yang terbukti. Akademi Kerajaan Ilmu Pengetahuan Swedia memberikan separuh Hadiah Nobel Fisika 2020 kepada Roger Penrose, yang buktinya tahun 1965 — digambarkan dalam pengumuman Akademi sendiri, dilaporkan oleh ScienceDaily — menunjukkan bahwa pembentukan lubang hitam adalah prediksi relativitas umum yang kuat dan tak terelakkan setelah tubuh kompak yang cukup masif runtuh, dan bahwa runtuhan tersebut harus menghasilkan singularitas.

Separuh lainnya dari hadiah itu pergi bersama kepada Reinhard Genzel dan Andrea Ghez, yang memimpin tim terpisah yang melacak orbit bintang di pusat Bima Sakti selama puluhan tahun menggunakan beberapa teleskop terbesar di dunia. Pekerjaan mereka, juga dirangkum dalam pengumuman Nobel yang dicakup oleh ScienceDaily, menemukan objek tak terlihat dari sekitar empat juta massa matahari yang terkonsentrasi dalam daerah tidak lebih besar dari tata surya — bukti kuat untuk lubang hitam supermasif yang sekarang dikenal sebagai Sagittarius A*.

Mendeteksi yang tak terdeteksi: gelombang gravitasi dan citra langsung

Pada tanggal 14 September 2015, detektor Advanced LIGO kembar merekam sinyal, dirancang GW150914, cocok dengan bentuk gelombang yang diprediksi dari dua lubang hitam spiral bersama dan bersatu. Menurut ringkasan sains LIGO Scientific Collaboration sendiri, kedua lubang hitam memiliki massa sekitar 36 dan 29 kali Matahari, menyatu menjadi lubang hitam tunggal sekitar 62 massa matahari lebih dari satu miliar tahun cahaya; sekitar tiga massa matahari diubah menjadi energi gelombang gravitasi dalam sebagian kecil dari detik. Deteksi membawa signifikansi statistik lebih dari 5 sigma, berarti alarm palsu dari kekuatan itu akan diharapkan kira-kira sekali setiap 200.000 tahun data yang sebanding, LIGO melaporkan.

Empat tahun kemudian, Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration merilis gambar pertama bayangan lubang hitam, diambil M87*, lubang hitam supermasif di pusat galaksi Messier 87. Seperti dijelaskan oleh Jet Propulsion Laboratory NASA, EHT menghubungkan teleskop radio di seluruh dunia menjadi instrumen virtual tunggal menggunakan interferometri dasar sangat panjang, mencapai resolusi sekitar 4.000 kali lebih tajam daripada Teleskop Antariksa Hubble. Kampanye observasi April 2017 di balik gambar, dirilis pada 2019, mengukur M87* pada sekitar 6,5 miliar massa matahari, terletak sekitar 53 juta tahun cahaya jauhnya.

Pada tanggal 12 Mei 2022, Kolaborasi EHT merilis gambar pelanggaran kedua: Sagittarius A*, lubang hitam pusat Bima Sakti kami sendiri. Seperti dijelaskan oleh AAS Nova, data yang mendasari direkam pada April 2017, artinya lebih dari lima tahun berlalu antara pengamatan dan pelepasan gambar. Sagittarius A* adalah sekitar empat juta massa matahari dan 27.000 tahun cahaya jauhnya — berarti terlihat ukuran semu yang kurang lebih sama di langit seperti M87* yang jauh lebih besar dan jauh, karena M87* sekitar 2.000 kali lebih jauh dan sekitar 1.500 kali lebih besar. Ukuran cincin dan bayangan yang diukur kedua lubang hitam cocok dengan prediksi relativitas umum, menurut AAS Nova, memberikan astronom dua metode konfirmasi independen — gelombang gravitasi dan pencitraan langsung — yang menyatu pada kerangka teoritis yang sama.

Mengapa ini penting untuk fisika

Setiap hasil ini menguji relativitas umum dalam rezim yang tidak dapat diamati Einstein secara langsung: materi dan ruangwaktu di bawah gravitasi ekstrem. Sinyal gelombang gravitasi dari GW150914 cocok dengan bentuk gelombang yang diprediksi oleh relativitas umum untuk inspiral, penggabungan, dan 'ringdown' berikutnya dari lubang hitam yang dihasilkan, menurut analisis LIGO. Diameter cincin yang diukur EHT untuk M87* dan Sagittarius A* juga cocok dengan prediksi relativitas umum, per AAS Nova, memberikan ilmuwan dua metode konfirmasi independen — gelombang gravitasi dan pencitraan langsung — yang bertemu pada kerangka teoritis yang sama.