Misteri Lubang Hitam di Alam Semesta

Tags: ITB4People, Community Services, Pengabdian Masyarakat, SDGs4

TAHUN lalu, Roger Penrose, seorang matematikawan asal Inggris yang bekerja dalam teori gravitasi Einstein yang dikenal teori relativitas umum, menjadi salah seorang yang dianugerahi Nobel Fisika. Hal ini cukup mengejut­kan karena sangat jarang bidang fisika teoretik, khususnya teori relativitas um um ini dianugerahi nobel di bidang tersebut. Bahkan, Albert Einstein se bagai pencetus teori relativitas um um justru dianugerahi Nobel Fisika pada 1921 karena teori efek fotolistriknya.

Salah satu karya monumental Penrose pada 1965 ialah mempelajari struktur ruang waktu yang bersifat Lorentzian menggunakan kajian matematik.a abstrakbemama topologi. Apa yang Penrose dapatkan ialah formasi singularitas (ketakberhinggaan) dapat terjadi bila ruang waktu tersebut memenuhi persamaan medan gravitasi Einstein tanpa perlu meninjau simetri dari ruang waktu tersebut.

Secara fisis, singularitas ini terjadi ketika sebuah objek seperti bintang masif runtuh (collapse) karena gravitasinya. Kemudian, ia membentuk lubang hitam yang rapat massanya sangat tinggisehi.ngga medan gravitasi di sekitarnya menjadi sangat kuat. Akibatnya, ia menangkap segala sesuam hingga melewati daerah cakrawala peristiwa (event horizon). Bahkan, cahaya pun tidak bisa lolos ketika telah masuk ke daerah di batik cakrawala peristiwa hingga jatuh ke singularitas. 

Hal tersebut dapat terjadi karena di balik cakrawala peristiwa ini terjadi keanehan, yaitu waktu mengganti kan ruang dan sebaliknya. Kemudian, adanya singularitas ini dapat berarti satu dari dua hal berikut: (1) Besaran besaran geometri yang menggambarkan ruang waktu kita, yaitu faktor kelengkungan Riemann, meledak atau tidak dapat diukur, (2) Distribusi ma­teri tertekan menjadi titik. 

Hasil Penrose ini memperkuat bukti bukti yang sebelumnya ada bahwa singularitas ini harus bersembunyi di batik cakrawala peristiwa. Hal ini penama kali ditemukan Karl Schwarz­schild, seorang fisikawan Jerman pada 1915 yang berhasil memecahkan persamaan medan Einstein vakum (tanpa materi) dengan menggunakan sifat simetri bola pada ruang wakm berdi­mensi empat.

Ruang wakru yang dinamakan solusi Schwarzschild ini secara fisis meng­gambarkan lubang hitam bermassa yang netral secara listrik. Inilah yang disebut cosmic censorship conjecture (CCC). CCC menjamin bahwa singu­laritas tidak teramati di alam semesta sehingga alam semesta kita stabil dan tidak runtuh. 

Pada 1970 Penrose bersama kolega­nya, Stephen W Hawking, melengkapi pembuktian keberadaan singularitas pada ruang waktu. Hasil-hasil yang mereka dapatkan dikenal sebagai teo­rema singularitas Hawking-Penrose. reorema ini menjelaskan bahwa si­ngularitas ruang waktu dapat terjadi pada kasus objek astrofisika seperti bintang yang runtuh a tau ketika alam semesta tercipta bila memenuhi be­berapa syarat fisis. Secara khusus apa yang mereka hasilkan ialah untuk ruang waktu berdimensi empat, yakni syarat-syarat tertentu diterapkan, antara lain berlakunya persamaan medan Einstein, kondisi energi lemah (no boundary condition), dan terdapat­nya permukaan berdimensi dua yang terperangkap (trapped 2-surface).

Sejak 2005 hingga saat ini, kami para fisikawan teoretik yang bekerja da­lam teori relativitas umum di Institut Teknologi Bandung (ITB) bekerja sama dengan para peneliti dari universitas lainnya, berupaya mengembangkan teorema singularitas secara umum ke ranah dimensi tinggi, yaitu dimensi yang lebih besar atau sama dengan empat. Ada pun asumsi yang kami ambil dapat disebutkan berikut. Pertama, geometri ruang waktu berdimensi tinggi ini memenuhi persamaan gravi­tasi Einstein dalam dimensi tinggi, yakni sifat-sifat geometri ruang waktu dipengaruhi distribusi materi di dalam ruang waktu tersebut. Hukum kekekal­an harus dipenuhi disrribusi materi ini yang dapat dinyatakan sebagai persa­maan kontinuitas. Sebagai contoh bila dalam ruangwaktu tersebuthanya ter­diri atas fluida ideal, hukum kekekalan ini dapat diwujudkan dalam bentuk persamaan Navier-Stokes. Kemudian, bila sifat intrinsik materi dilibatkan, syarat tanpabatas perlu ditambahkan pada geometri ruang waktu agar dina­mika materi menjadi nihil di sekitar daerah yang sangat jauh.

Kedua, pada ruang waktu harus memenuhi kondisi energi bentuk lemah (weak energy condition) yang menjamin bahwa rapat materi selalu bernilai positif atau nol di sepanjang kurva kausal, yakni peristiwa fisis se­bab selalu mendahului akibat. Bentuk lain dari pernyataan tersebut ialah faktor kelengkungan Ried di sepanjang kurva kausal lebih besar atau sama dengan setengah energi total materi dalam ruang waktu tersebut. 

Ketiga, ruang waktu harus bersifat statis dan Hausdorff, yakni di setiap ruang waktu dapat dibuat kerucut cahaya secara lokal dan selalu dapat dibedakan masa lampau, masa seka­rang, dan masa datang. Implikasi dari sifat ini ialah bahwa geometri ruang waktu hanya memiliki kurva kausal terbuka di setiap titik sehingga masa lampau selalu mendahului masa se­karang dan masa sekarang selalu mendahului masa depan. Dengan kata lain, tidak mungkin ada pelanggaran kausalitas dalam ruang waktu, yakni peristiwa di masa depan terjadi masa lampau atau sebaliknya.

Keempat, pada ruang waktu terdapat permukaan berkodimensi dua yang terperangkap (2 codimensional trapped surface). Permukaan ini berada di balik cakrawala peristiwa, cahaya terperangkap di dalam dan tidak dapat lolos keluar darinya. Bila permukaan ini ada, dipastikan ada singularitas pada ruang waktu tersebut. Aspek ini tetjadi pada objek astrofisika seperti bintang sangat masif yang mengalami keruntuhan gaya gravitasinya sehingga berakhir menjadi lubang hitam. 

Secara klasik, lubang hitam tidak mungkin terlihat dengan mengguna­kan teleskop optik yang sangat besar apalagi dengan mata telanjang. Hingga 2019, kolaborasi NASA dengan be­berapa teleskop radio yang tergabung dalam konsorsium Event Horizon Telescope (EHT) berhasil memotret sebuah lubang hitam sangar masif yang berada di pusat galaksi M87 dan berjarak kurang lebih 55 juta tahun cahaya dari Bumi. Gambar lubang hi tam (lihat grafis/foto) ini merupakan hasil pengolahan superkomputer dari data spektrum kosmis dari gelombang radio hingga gelombang sinar-X. Tentunya lubang hitam yang diamati ini digunakan umuk memeriksa seberapa baik teori gravitasi saat ini, yaitu teori gravitasi Einstein beserta modifikasinya dalam menjelaskan beberapa fenomena fisika di sekitar lubang hitam. (M-4)

Manfaat dan Tujuan Penelitian

HINGGA saat ini, kami mengembang­kan model lubang hitam yang lebih umum dari teori relativitas umum Einstein, yakni lubanghitam tersebut merupakan solusi dari teori gravitasi Einstein termodifikasi yang diperluas dalam dimensi tinggi dan secara khusus, memasukkan efek interaksi dengan partikel berspin nol. Tujuan dari penelitian ini antara lain mempe­lajari kestabilan lubang hitam terkait dengan keberadaan medan materi. Kedua, secara umum perlunya pem­buktian secara matematis keberadaan subgeometri terperangkap (crapped submanifold) yang terkait dengan sifat termodinamika lubang hitam. Selain itu, unmk mempelajari teorema singularitas Hawking-Penrose dalam dimensi yang lebih tinggi. 

Sejauh ini kami baru mempelajari teori gravitasi yang terkopel dengan medan materi skalar berspin nol da­lam dimensi tinggi. Ada pun hasil-hasil yang telah diperoleh di antaranya se­bagai berikut ini. 
1.Keberadaan formasi stabil lubang hitam dalam teori ini dijamin dengan adanya suku kinetik dan suku massa yang keduanya positif dari partikel berspin nol.
2. Keberadaan suku interaksi diri partikel berspin nol dapat menyebab­kan ketiadaan lubang hitam. 
3. Solusi lubang hitam dengan energi berhingga dijamin ada bila inter­aksi diri partikel berspin nol hilang di daerah yang sangat jauh. 
4. Teorema singularitas Hawking-­Penrose masih berlaku secara khusus untuk ruang waktu statis, yakni massa lubang hitam tidak berubah.

Beberapa manfaat dari penelitian ini, yakni kita bisa lebih mengenal sifaHifat geomeiri dan dinamika benda-benda langit di sekitar kita. Dari sini kita dapat mengidentifikasi bahaya dan manfaat benda-benda langit tersebut. Untuk mencapai hal ini tentunya kita perlu kerja keras lagi unmk mengaplikasikan hasil-hasil yang diperoleh ke bidang astrofisika terkait dengan model bintang beserta sejarah penciptaannya dan akhir dari hidupnya. (M-4)