Black Hole (Lubang Hitam)

1. Pengenalan

John Wheeler sebagai tokoh yang mempopulerkan istilah lubang hitam, memiliki sebuah perumpamaan yang menarik. Bayangkan Anda berada di sebuah pesta dansa di mana para pria mengenakan tuksedo hitam sementara para wanita bergaun putih panjang. Mereka berdansa sambil berangkulan, dan karena redupnya penerangan di dalam ruangan, Anda hanya dapat melihat para wanita dalam balutan busana putih mereka. Nah, wanita itu ibarat bintang kasat mata sementara sang pria sebagai lubang hitamnya. Meskipun Anda tidak melihat pasangan prianya, dari gerakan wanita tersebut Anda dapat merasa yakin bahwa ada sesuatu yang menahannya untuk tetap berada dalam “orbit dansa”.

Demikianlah para astronom dalam mengenali keberadaan sebuah lubang hitam. Mereka menggunakan metode tak langsung melalui pengamatan bintang ganda yang beranggotakan bintang kasat mata dan sebuah objek tak tampak. Beruntung, semesta menyediakan sampel bintang ganda dalam jumlah yang melimpah. Kenyataan ini bukanlah sesuatu yang mengherankan, sebab bintang-bintang memang terbentuk dalam kelompok. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa di galaksi kita, Bima Sakti, terdapat banyak bintang yang merupakan anggota suatu gugus bintang ataupun asosiasi.

Telah disebutkan di atas bahwa medan gravitasi lubang hitam sangat kuat, jauh lebih kuat daripada bintang kompak lainnya seperti bintang “katai putih” maupun bintang netron. Dalam sebuah sistem bintang ganda berdekatan, objek yang lebih masif dapat menarik materi dari bintang pasangannya. Demikian pula dengan lubang hitam. lubang hitam menarik materi dari bintang pasangan dan membentuk cakram akresi di sekitarnya (bayangkan sebuah donat yang pipih bentuknya). Bagian dalam dari cakram yang bergerak dengan kelajuan mendekati kelajuan cahaya, akan melepaskan energi potensial gravitasinya ketika jatuh ke dalam lubang hitam. Energi yang sedemikian besar diubah menjadi kalor yang akan memanaskan molekul-molekul gas hingga akhirnya terpancar sinar-X dari cakram akresi tersebut. Sinar-X yang dihasilkan inilah yang digunakan oleh para astronom untuk mencurigai keberadaan sebuah lubang hitam dalam suatu sistem bintang ganda. Untuk lebih meyakinkan bahwa bintang kompak tersebut benar-benar lubang hitam alih-alih bintang “katai putih” ataupun bintang netron, astronom menaksir massa objek tersebut dengan perangkat matematika yang disebut fungsi massa. Bila diperoleh massa bintang kompak lebih dari 3 kali massa Matahari, besar kemungkinan objek tersebut adalah lubang hitam.

2. Pengertian Lubang Hitam

Lubang hitam adalah "sesuatu" yang berbentuk seperti sebuah lubang raksasa di alam semesta, ia memiliki diameter raksasa dan terdapat banyak benda-benda angkasa yang tertarik di sekelilingnya. Lubang hitam sebuah pemusatan massa yang cukup besar sehingga menghasilkan gaya gravitasi yang sangat besar. Gaya gravitasi yang sangat besar ini mencegah apa pun lolos darinya kecuali melalui perilaku terowongan kuantum. Medan gravitasi begitu kuat sehingga 8kecepatan lepas di dekatnya mendekati kecepatan cahaya. Tak ada sesuatu, termasuk radiasi elektromagnetik yang dapat lolos dari gravitasinya, bahkan cahaya hanya dapat masuk tetapi tidak dapat keluar atau melewatinya, dari sini diperoleh kata "hitam". Istilah "lubang hitam" telah tersebar luas, meskipun ia tidak menunjuk ke sebuah lubang dalam arti biasa, tetapi merupakan sebuah wilayah di angkasa di mana semua tidak dapat kembali. Secara teoritis, lubang hitam dapat memliki ukuran apa pun, dari mikroskopik sampai ke ukuran alam raya yang dapat diamati.

Karena lubang hitam memiliki gaya gravitasi yang sangat kuat sehingga dapat menarik benda apapun mendekat, lubang hitam mendapatkan sebutan yang mengerikan seperti "kuburan luar angkasa." Banyak benda-benda angkasa seperti asteroids tertarik mendekati lubang hitam akibat grvitasi yang sangat kuat. Setelah itu, bahan ini menumpuk dalam waktu yang lama dan menjadi seperti kuburan luar angkasa di sekitar lubang hitam.

3. Landasan Teori Lubang Hitam

Teori adanya lubang hitam pertama kali diajukan pada abad ke-18 oleh John Michell and Pierre-Simon Laplace, selanjutnya dikembangkan oleh astronom Jerman bernama Karl Schwarzschild, pada tahun 1916, dengan berdasar pada teori relativitas umum dari Albert Einstein, dan semakin dipopulerkan oleh Stephen William Hawking.

Penyelesaian Karl Schwarzschild berupa persamaan diferensial orde dua nonlinear–yang dihasilkan Schwarzschild hanya dengan bantuan pensil dan kertas kala itu–sangat memikat Einstein. Pasalnya, relativitas umum yang bentuk finalnya telah dipaparkan Einstein di Akademi Prusia pada 25 November 1915, oleh penemunya sendiri “hanya” berhasil dipecahkan dengan penyelesaian pendekatan. Bahkan dalam perkiraan Einstein, tidak akan mungkin menemukan solusi eksak dari persamaan medan temuannya tersebut.

Pada saat ini banyak astronom yang percaya bahwa hampir semua galaksi dialam semesta ini mengelilingi lubang hitam pada pusat galaksi.

John Archibald Wheeler pada tahun 1967 yang memberikan nama "Lubang Hitam" sehingga menjadi populer di dunia bahkan juga menjadi topik favorit para penulis fiksi ilmiah. Istilah yang pertama kali diberikan oleh John Archibald Wheeler pada 1969 sebagai ganti nama yang terlalu panjang, yaitu completely gravitational collapsed stars.

Kita tidak dapat melihat lubang hitam akan tetapi kita bisa mendeteksi materi yang tertarik / tersedot ke arahnya. Dengan cara inilah, para astronom mempelajari dan mengidentifikasikan banyak lubang hitam di angkasa lewat observasi yang sangat hati-hati sehingga diperkirakan di angkasa dihiasi oleh jutaan lubang hitam.

Istilah lubang hitam sendiri menggambarkan kondisi kelengkungan ruang-waktu di sekitar benda bermassa dengan medan gravitasi yang sangat kuat. Menurut teori relativitas umum, kehadiran massa akan mendistorsi ruang dan waktu. Dalam bahasa yang sederhana, kehadiran massa akan melengkungkan ruang dan waktu di sekitarnya. Ilustrasi yang umum digunakan untuk mensimulasikan kelengkungan ruang di sekitar benda bermassa dalam relativitas umum adalah dengan menggunakan lembaran karet sangat elastis untuk mendeskripsikan ruang 3 dimensi ke dalam ruang 2 dimensi.

Bila kita mencoba menggelindingkan sebuah bola pingpong di atas hamparan lembaran karet tersebut, bola akan bergerak lurus dengan hanya memberi sedikit tekanan pada lembaran karet. Sebaliknya, bila kita letakkan bola biliar yang massanya lebih besar (masif) dibandingkan bola pingpong, akan kita dapati lembaran karet melengkung dengan cekungan di pusat yang ditempati oleh bola biliar tersebut. Semakin masif bola yang kita gunakan, akan semakin besar tekanan yang diberikan dan semakin dalam pula cekungan pusat yang dihasilkan pada lembaran karet.

Sudah menjadi pengetahuan publik bila gerak Bumi dan planet-planet lain dalam tata surya mengorbit Matahari sebagai buah kerja dari gaya gravitasi, sebagaimana yang telah dibuktikan oleh Isaac Newton pada tahun 1687 dalam Principia Mathematica-nya. Melalui persamaan matematika yang menjelaskan hubungan antara kelengkungan ruang dan distribusi massa di dalamnya, Einstein ingin memberikan gambaran tentang gravitasi yang berbeda dengan pendahulunya tersebut. Bila sekarang kita menggulirkan bola yang lebih ringan di sekitar bola yang masif pada lembaran karet di atas, kita menjumpai bahwa bola yang ringan tidak lagi mengikuti lintasan lurus sebagaimana yang seharusnya, melainkan mengikuti kelengkungan ruang yang terbentuk di sekitar bola yang lebih masif. Cekungan yang dibentuk telah berhasil “menangkap” benda bergerak lainnya sehingga mengorbit benda pusat yang lebih masif tersebut. Inilah deskripsi yang sama sekali baru tentang penjelasan gerak mengorbitnya planet-planet di sekitar Matahari a la relativitas umum. Dalam kasus lain bila benda bergerak menuju ke pusat cekungan, benda tersebut tentu akan tertarik ke arah benda pusat. Ini juga memberi penjelasan tentang fenomena jatuhnya meteoroid ke Matahari, Bumi, atau planet-planet lainnya.

Pada abad ke-20, muncul sebuah hipotesis tentang lubang hitam ini: "Sebuah lubang hitam kemungkinan besar membentuk sebuah terowongan yang dapat terhubung ke lubang hitam yang lain yang kemungkinan dapat berfungsi sebagai mesin waktu untuk bepergian ke lain waktu."

• Radius kritis

Melalui persamaan matematisnya yang berlaku untuk sembarang benda berbentuk bola sebagai solusi eksak atas persamaan medan Einstein, Schwarzschild menemukan bahwa terdapat suatu kondisi kritis yang hanya bergantung pada massa benda tersebut. Bila jari-jari benda tersebut (bintang misalnya) mencapai suatu harga tertentu, ternyata kelengkungan ruang-waktu menjadi sedemikian besarnya sehingga tak ada satupun yang dapat lepas dari permukaan benda tersebut, tak terkecuali cahaya yang memiliki kelajuan 300.000 kilometer per detik. Jari-jari kritis tersebut sekarang disebut Jari-jari Schwarzschild, sementara bintang masif yang mengalami keruntuhan gravitasi sempurna seperti itu, untuk pertama kalinya dikenal dengan istilah lubang hitam dalam pertemuan fisika ruang angkasa di New York pada tahun 1969.

Untuk menjadi lubang hitam, menurut persamaan Schwarzschild, Matahari kita yang berjari-jari sekira 700.000 kilometer harus dimampatkan hingga berjari-jari hanya 3 kilometer saja. Sayangnya, bagi banyak ilmuwan kala itu, hasil yang diperoleh Schwarzschild dipandang tidak lebih sebagai sebuah permainan matematis tanpa kehadiran makna fisis. Einstein termasuk yang beranggapan demikian. Akan terbukti belakangan, keadaan ekstrem yang ditunjukkan oleh persamaan Schwarzschild sekaligus model yang diajukan fisikawan Amerika Robert Oppenheimer beserta mahasiswanya, Hartland Snyder, pada 1939 yang berangkat dari perhitungan Schwarzschild berhasil ditunjukkan dalam sebuah simulasi komputer.

4. Terbentuknya Lubang Hitam

Lubang Hitam tercipta ketika suatu obyek tidak dapat bertahan dari kekuatan tekanan gaya gravitasinya sendiri. Banyak obyek (termasuk matahari dan bumi) tidak akan pernah menjadi lubang hitam. Tekanan gravitasi pada matahari dan bumi tidak mencukupi untuk melampaui kekuatan atom dan nuklir dalam dirinya yang sifatnya melawan tekanan gravitasi. Tetapi sebaliknya untuk obyek yang bermassa sangat besar, tekanan gravitasi-lah yang menang.

Namun sebuah lubang hitam yang terbentuk oleh satu atau lebih benda-benda yang menjadi sangat padat, karena itu kepadatan inilah, gravitasi akan menjadi sangat besar dan "mengambil alih" massa benda itu sendiri. kemudian, proses ini membentuk sebuah lubang hitam baru yang akan menarik apapun yang berada di dekatnya.

Waktu yang diperlukan kumpulan materi antarbintang (sebagian besar hidrogen) hingga menjadi “bintang baru” yang disebut sebagai bintang deret utama (main sequence star), bergantung pada massa cikal bakal bintang tersebut. Makin besar massanya, makin singkat pula waktu yang diperlukan untuk menjadi bintang deret utama. Energi yang dimiliki “calon” bintang ini semata-mata berasal dari pengerutan gravitasi. Karena pengerutan gravitasi inilah temperatur di pusat bakal bintang menjadi meninggi.

Dari mana bintang-bintang mendapatkan energi untuk menghasilkan kalor dan radiasi, pertama kali dipaparkan oleh astronom Inggris Sir Arthur Stanley Eddington. Sir Eddington juga yang pernah memimpin ekspedisi gerhana Matahari total ke Pulau Principe di lepas pantai Afrika pada 29 Mei 1919 untuk membuktikan ramalan teori relativitas umum tentang pembelokan cahaya bintang di dekat Matahari. Meskipun demikian, fisikawan nuklir Hans Bethe-lah yang pada tahun 1938 berhasil menjelaskan bahwa reaksi fusi nuklir (penggabungan inti-inti atom) di pusat bintang dapat menghasilkan energi yang besar. Pada temperatur puluhan juta Kelvin, inti-inti hidrogen (materi pembentuk bintang) mulai bereaksi membentuk inti helium. Energi yang dibangkitkan oleh reaksi nuklir ini membuat tekanan radiasi di dalam bintang dapat menahan pengerutan yang terjadi. Bintang pun kemudian berada dalam kesetimbangan hidrostatik dan akan bersinar terang dalam waktu jutaan bahkan milyaran tahun ke depan bergantung pada massa awal yang dimilikinya.

Semakin besar massa awal bintang, semakin cepat laju pembangkitan energinya sehingga semakin singkat pula waktu yang diperlukan untuk menghabiskan pasokan bahan bakar nuklirnya. Manakala bahan bakar tersebut habis, tidak akan ada lagi yang mengimbangi gravitasi, sehingga bintang pun mengalami keruntuhan kembali.

Untuk bintang-bintang dengan massa awal yang lebih besar, setelah bintang melontarkan bagian terluarnya akan tersisa bagian inti yang mampat. Jika massa inti yang tersisa tersebut lebih besar daripada 1,4 kali massa Matahari (massa Matahari: 2×10 pangkat 30 kilogram), gravitasi akan mampu mengatasi tekanan elektron dan lebih lanjut memampatkan bintang hingga memaksa elektron bergabung dengan inti atom (proton) membentuk netron. Bila massa yang dihasilkan ini kurang dari 3 kali massa Matahari, tekanan netron akan menghentikan pengerutan untuk menghasilkan bintang netron yang stabil dengan jari-jari hanya belasan kilometer saja. Sebaliknya, bila massa yang dihasilkan pasca ledakan bintang lebih dari 3 kali massa Matahari, tidak ada yang bisa menahan pengerutan gravitasi.

Bintang-bintang seukuran massa Matahari kita, paling jauh akan menjadi bintang katai putih (white dwarf) dengan jari-jari lebih kecil daripada semula, namun dengan kerapatan mencapai 100 hingga 1000 kilogram tiap centimeter kubiknya’ Tekanan elektron terdegenerasi akan menahan keruntuhan lebih lanjut sehingga bintang kembali setimbang. Karena tidak ada lagi sumber energi di pusat bintang, bintang katai putih selanjutnya akan mendingin menjadi bintang katai gelap (black dwarf). Bintang akan mengalami keruntuhan gravitasi sempurna membentuk objek yang kita kenal sebagai lubang hitam. Bila bintang katai putih dapat dideteksi secara fotografik dan bintang netron dengan teleskop radio, lubang hitam tidak akan pernah dapat kita lihat secara langsung.

5. Pertumbuhan Lubang Hitam

Massa dari lubang hitam terus bertambah dengan cara menangkap semua materi didekatnya. Semua materi tidak bisa lari dari jeratan lubang hitam jika melintas terlalu dekat. Jadi obyek yang tidak bisa menjaga jarak yang aman dari lubang hitam akan terhisap. Berlainan dengan reputasi yang disandangnya saat ini yang menyatakan bahwa lubang hitam dapat menghisap apa saja disekitarnya, lubang hitam tidak dapat menghisap material yang jaraknya sangat jauh dari dirinya. dia hanya bisa menarik materi yang lewat sangat dekat dengannya. Contoh : bayangkan matahari kita menjadi lubang hitam dengan massa yang sama. Kegelapan akan menyelimuti bumi dikarenakan tidak ada pancaran cahaya dari lubang hitam, tetapi bumi akan tetap mengelilingi lubang hitam itu dengan jarak dan kecepatan yang sama dengan saat ini dan tidak terhisap masuk kedalamnya. Bahaya akan mengancam hanya jika bumi kita berjarak 10 mil dari lubang hitam, dimana hal ini masih jauh dari kenyataan bahwa bumi berjarak 93 juta mil dari matahari. Lubang hitam juga dapat bertambah massanya dengan cara bertubrukan dengan lubang hitam yang lain sehingga menjadi satu lubang hitam yang lebih besar.

6. Perhitungan Lubang Hitam

Objek paling ekstrim yang pernah dipelajari manusia adalah lubang hitam. Bermula dari kertas solusi persamaan medan gravitasi Einstein untuk massa yang mengalami keruntuhan. Solusi matematis ini disebut sebagai lubang hitam karena pada jarak tertentu yang sangat dekat sekali tidak ada partikel atau cahaya yang mampu lolos dari tarikan gravitasinya.

Untuk menjadi lubang hitam, semua benda bermassa, M, harus dimampatkan lebih kecil dari ukuran jari-jari Schwarzchild, . Manusia bermassa 70 kg harus dimampatkan dalam ruang berradius (pekerjaan ini sangat sulit). Namun untuk kasus bintang semuanya menjadi mudah. Bintang (dalam hal ini pusat bintang) yang memiliki massa > jika mengalami keruntuhan gravitasi akan berubah menjadi lubang hitam.

Masyarakat seringkali menganggap lubang hitam layaknya mesin penyedot debu yang akan menghisap semua benda di alam semesta. Kenyataannya, lubang hitam tidak berlaku seperti demikian. Hanya benda yang melintas sangat dekat dengan horizon peristiwa yang akan ditarik oleh lubang hitam dan tidak akan pernah muncul lagi selama-lamanya.

Terdapat tiga jenis lubang hitam yaitu lubang hitam semassa bintang, lubang hitam supermasif, dan lubang hitam kuantum. Jenis lubang hitam ini bergantung pada massanya.

Lubang hitam semassa bintang atau biasa disebut lubang hitam berasal dari keruntuhan bintang pada akhir kehidupannya. Keruntuhan ini disertai dengan peristiwa supernova. Setiap hari setidaknya terjadi 2 supernova di alam semesta atau dalam arti lain setiap hari setidaknya terbentuk 2 lubang hitam. Lubang hitam tipe ini memiliki massa 3 – 150 .

Di pusat galaksi Bima Sakti telah ditemukan sebuah lubang hitam supermasif. Lubang hitam supermasif menarik bintang-bintang di sekitar pusat Bima Sakti dan membuatnya bergerak dengan kecepatan tinggi. Lubang hitam supermasif merupakan pemain penting dalam evolusi galaksi. Dipercayai setiap galaksi memiliki lubang hitam supermasif namun belum ada penjelasan yang memuaskan tentang asal-usul lubang hitam supermasif di pusat galaksi.

Kita mengetahui bahwa pengembangan alam semesta membuat kerapatan materi menurun. Artinya dahulu, alam semesta ketika masih dini memiliki kerapatan yang sangat tinggi. Pada beberapa mikrodetik pertama pembentukan alam semesta kerapatan yang sangat tinggi membuat kekuatan gravitasi sangat tinggi sehingga fluktuasi kuantum mampu mengganggu ruang-waktu menciptakan lubang hitam berukuran meter dengan massa . Lubang hitam mini ini merupakan lubang hitam paling kecil yang bisa dihasilkan oleh gravitasi. Lubang hitam mini juga bisa dihasilkan oleh sinar kosmik saat memasuki atmosfer Bumi atau oleh akselerator partikel. Karena massanya yang sangat kecil, lubang hitam mini akan menguap seketika setelah terbentuk ( detik) sehingga tidak akan mungkin menelan Bumi atau Matahari.

7. Ledakan Lubang Hitam

Bulan Januari 2001, fisikawan yang terkenal dari Universitas St. Andrew yakni Nel Ryan Harther mengumumkan bahwa ia dan peneliti Inggris lainnya akan menciptakan sebuah lubang hitam di ruang laboratorium, ketika itu tidak ada yang merasa terkejut terhadap hal demikian. Namun, beberapa hari yang lalu sebuah harian di Rusia mengumumkan ramalan ilmuwannya bahwa lubang hitam tidak saja dapat dibuat dalam ruang laboratorium, bahkan 50 tahun kemudian, ledakan lubang hitam yang mempunyai energi mahadahsyat akan membuat bom atom yang mengerikan manusia sekarang juga terbukti lebih buruk, menjadi pediatri yang tidak patut dipersoalkan.

Pertimbangan manusia menciptakan lubang hitam sebenarnya paling awal abad ke-20 tahun 80-an dikemukakan oleh Profesor William Anroe dari Universitas British, Columbia, ia berpendapat, bahwa manifestasi gelombang suara dalam zat cair dengan manifestasi cahaya dalam lubang hitam sangat mirip, jika membuat kecepatan cairan melampaui kecepatan bunyi, maka pada kenyataannya telah membentuk sebuah gejala lubang hitam buatan dalam cairan tersebut. Sekalipun demikian, Dr. Ryan Harther berencana bahwa lubang hitam buatan yang tercipta oleh karena kekurangan gravitasi yang cukup, selain cahaya, mereka tidak dapat menelan semua benda yang ada di sekeliling seperti lubang hitam yang sebenarnya.

Sebaliknya, ilmuwan Rusia Alexander Delofmankov malah berpendapat, bahwa lubang hitam alam semesta sesungguhnya yang dapat menelan segala benda juga dapat secara keseluruhan "menciptakannya" melalui ruang laboratorium: Sebuah lubang hitam yang berukuran inti atom, energinya akan melampaui sebuah pabrik nuklir. Jika manusia, pada suatu hari nanti benar-benar menciptakan bom lubang hitam, maka energi yang ditimbulkan sebuah bom lubang hitam setelah meledak, akan setara dengan ledakan bom atom yang tak terhingga kelipatannya secara bersamaan, paling tidak ia dapat mengakibatkan kematian 1 miliar jiwa.

Bagi mayoritas orang, lubang hitam yang menakutkan adalah hal yang sangat jauh di alam semesta, masih sangat jauh meninggalkan kita. Namun, Delofmankov berpendapat, sebenarnya kerabat kecil lubang hitam alam semesta --lubang hitam mini ada di mana-mana di atas bumi, bahkan mendatangkan sejumlah besar masalah dan bencana pada manusia. Beberapa ilmuwan Rusia menganggap, bahwa beberapa fenomena misterius di atas bumi berhubungan dengan lubang hitam mini, seperti misalnya letusan gunung berapi, energi dan panas gunung berapi selalu merapat di tempat tertentu di atas bumi, lagi pula tak kunjung habis. Beberapa ilmuwan bahkan curiga, bahwasannya adalah energi mataharilah yang telah menyampaikannya ke tempat yang dalam di bumi melalui lubang hitam. Sebelum ini, beberapa fisikawan mengenali bahwa di atas matahari tidak hanya terdapat energi nuklir, bahkan ada lubang hitam mini, lagi pula setiap bagian dalam planet mungkin terdapat lubang hitam mini.

8. Penampakan Lubang Hitam

Lubang hitam dari galaksi bernama NGC-1097 itu difoto menggunakan Spitzer Space Telescope di California.

Lubang hitam merupakan wilayah di ruang angkasa di mana gaya tarik gravitasi sangat kuat menarik apapun. Planet yang ada di sekitarnya juga tidak akan selamat jika berada di dekat lubang itu.

Pemotretan yang dilakukan NASA menunjukkan galaksi itu berbentuk spiral seperti galaksi kita Milky Way. Namun NASA menyatakan lubang hitam di galaksi bumi berada berbeda dengan NGC-1097 yang hanya terdiri dari jutaan matahari.

"Beberapa teori menyebut lubang hitam bisa melemah dan akhirnya masuk ke fase tidur seperti lubang hitam di galaksi kita," kata George Helou, deputy director Spitzer Science Center NASA di California Institute of Technology.

Foto itu menunjukkan cincin di sekitar lubang hitam yang terdapat bintang baru lahir. “Cincin itu obyek menawan untuk dipelajari karena membentuk bintang dalam tingkatan tinggi,” katanya.