Bagaimana Lubang Hitam Terbentuk, Apa Itu, dan Apa yang Mereka Ungkapkan Tentang Alam Semesta

Menurut definisi NASA, lubang hitam adalah wilayah ruang di mana gravitasi cukup kuat sehingga tidak ada apa pun, termasuk cahaya, dapat lolos setelah melewati batas yang disebut cakrawala peristiwa. Karena tidak ada cahaya yang lolos, lubang hitam itu sendiri tidak dapat dilihat secara langsung; kehadiran mereka disimpulkan dari efek gravitasi mereka pada materi terdekat dan, sejak 2019, dari gambar langsung materi bercahaya di sekitarnya.

Bagaimana lubang hitam terbentuk

Menurut NASA, bintang menghasilkan energi melalui fusi nuklir di intinya, dan tekanan keluar dari energi itu menyeimbangkan tarikan gravitasi bintang itu sendiri. Ketika bintang dengan massa lebih dari 20 kali Matahari menghabiskan bahan bakar nuklirnya, keseimbangan itu terganggu. Inti runtuh di bawah beratnya sendiri, memicu ledakan supernova yang menerbangkan lapisan luar bintang. Jika inti yang tersisa melebihi kira-kira tiga massa surya, NASA menyatakan ia terus runtuh menjadi lubang hitam bermassa bintang.

Tidak setiap bintang yang runtuh menghasilkan lubang hitam. Menurut penjelasan NASA tentang evolusi bintang, inti di bawah sekitar tiga massa surya biasanya menjadi bintang neutron. Setelah lubang hitam ada, itu dapat tumbuh lebih lanjut dengan menarik gas, debu, dan bahkan bintang atau lubang hitam lain yang tersesat terlalu dekat.

Tiga jenis utama

NASA mengelompokkan lubang hitam ke dalam tiga kategori luas berdasarkan massa. Lubang hitam bermassa bintang, berkisar dari sekitar tiga hingga beberapa lusin massa surya, tersebar di seluruh Bima Sakti dan terbentuk dari bintang masif yang runtuh. Lubang hitam bermassa menengah, dengan kira-kira 100 hingga lebih dari 10.000 massa surya, lebih jarang dan lebih sulit dikonfirmasi; NASA mengutip salah satu contoh paling meyakinkan yang diidentifikasi pada 2019. Lubang hitam supermassif, berisi apa pun dari 100.000 hingga miliaran massa surya, duduk di pusat sebagian besar galaksi besar, termasuk Bima Sakti.

Melihat yang tidak terlihat: gambar langsung

Karena cahaya tidak dapat meloloskan diri dari lubang hitam, astronom tidak dapat memotret objek itu sendiri. Sebagai gantinya, Teleskop Cakrawala Peristiwa (EHT) — jaringan global teleskop radio yang bertindak sebagai satu instrumen berukuran Bumi, menurut Yayasan Sains Nasional AS (NSF) — membuat citra gas bercahaya yang berputar di sekitar lubang hitam tepat di luar cakrawala peristiwa. Pada 10 April 2019, Kolaborasi EHT merilis gambar pertama tersebut, dari lubang hitam supermassif di pusat galaksi M87, yang terletak sekitar 55 juta tahun cahaya dari Bumi dan diukur pada sekitar 6,5 miliar massa surya, menurut ringkasan NSF.

Pada 12 Mei 2022, Kolaborasi EHT merilis gambar kedua, kali ini dari Sagittarius A*, lubang hitam supermassif di pusat Bima Sakti kami sendiri. NSF menggambarkannya sebagai bukti visual langsung pertama dari objek itu, dengan massa yang NSF berikan sebagai kira-kira 4 juta kali massa Matahari. Ringkasan temuan di cosmoquest.org juga menempatkan massanya pada sekitar empat juta massa surya dan jaraknya pada sekitar 27.000 tahun cahaya dari Bumi. Kedua gambar menunjukkan tanda tangan yang sama: bayangan pusat gelap dikelilingi oleh cahaya terang, lensa dari gas mengorbit yang sangat panas.

Riak dalam ruangwaktu: gelombang gravitasi

Sebuah garis bukti terpisah berasal dari gelombang gravitasi — riak dalam ruangwaktu yang diprediksi oleh teori relativitas umum Albert Einstein pada 1915. Pada 14 September 2015, detektor Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) kembar di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana, mencatat sinyal yang ditunjuk GW150914, menurut ringkasan sains LIGO. Sinyal berasal dari penggabungan dua lubang hitam dengan massa sekitar 36 dan 29 kali massa Matahari, yang bergabung menjadi satu lubang hitam sekitar 62 massa surya. Tiga massa surya yang hilang dipancarkan sebagai energi gelombang gravitasi, LIGO menyatakan, dari peristiwa lebih dari satu miliar tahun cahaya jauhnya.

LIGO melaporkan bahwa deteksi mencapai signifikansi statistik lebih dari lima sigma, berarti alarm palsu dengan kekuatan itu diharapkan hanya sekali dalam kira-kira 200.000 tahun data yang sebanding. Bentuk gelombang yang diamati cocok dengan prediksi dari relativitas umum, memberikan fisikawan cara baru untuk mempelajari lubang hitam yang tidak bergantung pada cahaya sama sekali.

Apa yang lubang hitam ungkapkan tentang alam semesta

Penjelasan NASA tentang anatomi lubang hitam mengidentifikasi tiga zona kunci: cakrawala peristiwa, titik tanpa pengembalian di mana kecepatan lepas melebihi kecepatan cahaya; piringan akresi, materi spiral yang radiasi-nya memungkinkan astronom mendeteksi lubang hitam yang sebaliknya tidak terlihat; dan singularitas di inti, di mana materi dikompresi ke kepadatan ekstrem dan fisika saat ini, termasuk relativitas umum, diharapkan untuk putus. NASA mencatat ini adalah tempat di mana efek kuantum dianggap menjadi penting, berarti lubang hitam menandai perbatasan di mana relativitas dan mekanika kuantum pada akhirnya harus bertemu.

Karena mereka membengkokkan cahaya, memelintir waktu, dan menambatkan struktur galaksi, lubang hitam berfungsi sebagai laboratorium alami. Pengamatan dari pencitraan langsung dan dari detektor gelombang gravitasi memberikan ilmuwan dua cara independen untuk menguji apakah gravitasi berperilaku seperti yang diprediksi teori Einstein di bawah kondisi paling ekstrem yang dikenal di alam semesta.