Bagaimana rasanya jatuh ke dalam lubang hitam yang berputar? Tidak mungkin untuk mengamati ini, tetapi Anda dapat menghitung … Pertanyaan ini sangat menarik, dan sains mampu menjawabnya, karena sifat-sifat lubang hitam diketahui, tulis Forbes. Dokter astrofisika berbicara dengan banyak orang yang membuat perhitungan seperti itu, dan sedang terburu-buru untuk berbicara tentang temuan yang sangat menarik, didukung oleh sejumlah visualisasi.
Ada banyak cara mengerikan di mana alam semesta dapat menghancurkan sesuatu. Di luar angkasa, jika Anda mencoba menahan napas, paru-paru Anda akan meledak. Dan jika Anda menghembuskan semua udara ke molekul terakhir, kemudian setelah beberapa detik, matikan. Di beberapa tempat di alam semesta, Anda akan berubah menjadi es saat panas meninggalkan tubuh Anda; di tempat lain sangat panas sehingga atom Anda akan berubah menjadi plasma. Tetapi ketika saya mempertimbangkan bagaimana alam semesta dapat menyingkirkan saya (atau Anda), saya tidak dapat membayangkan pemandangan yang lebih memesona daripada masuk ke lubang hitam. Ilmuwan Heino Falcke, yang mengerjakan proyek Event Horizon Telescope, memiliki pendapat yang sama. Dia bertanya:
Bagaimana rasanya jatuh ke dalam lubang hitam yang berputar? Tidak mungkin untuk mengamati ini, tetapi mungkin untuk menghitung … Saya telah berbicara dengan banyak orang yang telah membuat perhitungan seperti itu, tetapi saya semakin tua dan mulai banyak lupa.
Pertanyaan ini sangat menarik, dan sains mampu menjawabnya. Mari kita tanyakan padanya.
Menurut teori gravitasi kita, teori relativitas umum Einstein, hanya ada tiga karakteristik yang menentukan sifat-sifat lubang hitam. Di sini mereka:
1. Massa, atau jumlah total materi dan jumlah energinya (dihitung dengan rumus E = mc2), yang digunakan untuk pembentukan dan pertumbuhan lubang hitam dalam keadaannya saat ini.
2. Muatan, atau muatan listrik total yang timbul dalam lubang hitam dari semua benda bermuatan positif dan negatif yang jatuh di sana selama keberadaannya.
3. Momentum sudut, atau momen rotasi, yang mengukur jumlah total gerakan rotasi lubang hitam.
Video promosi:
Secara realistis, semua lubang hitam di alam semesta pasti memiliki massa yang besar, torsi yang signifikan, dan muatan yang dapat diabaikan. Ini sangat memperumit banyak hal.
Berpikir tentang lubang hitam, kami merepresentasikannya dalam bentuk yang disederhanakan, yang dikarakterisasi hanya berdasarkan massa. Ia memiliki cakrawala peristiwa di sekitar satu titik (singularitas), serta area di sekitar titik ini, yang darinya cahaya tidak dapat melarikan diri. Daerah ini memiliki bentuk bola yang sempurna dan batas yang memisahkan daerah yang dapat memancarkan cahaya dan yang tidak. Perbatasan ini adalah cakrawala acara. Cakrawala peristiwa terletak pada jarak yang sangat spesifik dan sama (radius Schwarzschild) dari singularitas ke segala arah.
Ini adalah deskripsi sederhana dari lubang hitam asli. Tetapi lebih baik memulai dengan fenomena fisik yang terjadi di dua lokasi spesifik: di luar horizon peristiwa dan di dalam horizon peristiwa.
Di luar cakrawala peristiwa, gravitasi berperilaku seperti biasa. Ruang melengkung dengan adanya massa ini, memberikan percepatan pada semua objek di alam semesta ke arah singularitas pusat. Jika kita mulai dari jarak yang sangat jauh dari lubang hitam istirahat dan membiarkan benda jatuh ke dalamnya, apa yang akan kita lihat?
Misalkan kita bisa tetap diam. Dalam hal ini, kita akan melihat bagaimana benda itu bergerak perlahan namun dengan percepatan menjauh dari kita, bergerak menuju lubang hitam ini. Ini berakselerasi menuju cakrawala acara sambil mempertahankan warnanya. Tapi kemudian sesuatu yang aneh terjadi. Objek tampak melambat, memudar dan kabur, dan kemudian menjadi semakin merah. Tapi itu tidak hilang sama sekali. Sebaliknya, ia tampaknya mendekati keadaan menghilang ini: ia menjadi kurang berbeda, lebih merah, dan semakin sulit untuk dideteksi. Cakrawala peristiwa seperti asimtot cahaya suatu objek: kita selalu bisa melihatnya jika kita melihat lebih dekat.
Sekarang bayangkan skenario yang sama, tetapi kali ini kita tidak akan mengamati objek yang jatuh ke dalam lubang hitam dari jauh. Kita akan membayangkan diri kita berada di tempat benda yang jatuh. Dan dalam hal ini, sensasi kita akan sangat berbeda.
Cakrawala peristiwa tumbuh jauh lebih cepat saat ruang angkasa melengkung dari yang kita duga. Ruang begitu melengkung di sekitar cakrawala peristiwa sehingga kita mulai melihat banyak gambar alam semesta luar, seolah-olah itu sedang dipantulkan dan dibalik.
Dan ketika kita melintasi cakrawala peristiwa dan masuk ke dalam, kita tidak hanya melihat alam semesta luar, tetapi sebagian darinya di dalam cakrawala peristiwa. Cahaya yang kita terima bergeser ke bagian ungu dari spektrum, lalu kembali ke merah, dan kita pasti akan jatuh ke dalam singularitas. Di saat-saat terakhir, luar angkasa tampak datar secara aneh.
Gambaran fisik dari fenomena ini cukup kompleks, tetapi perhitungannya cukup sederhana dan lugas, dan dilakukan dengan cemerlang dalam serangkaian makalah ilmiah yang ditulis pada tahun 2000-2010 oleh Andrew Hamilton dari University of Colorado. Hamilton juga menciptakan serangkaian visualisasi yang jelas tentang apa yang kita lihat ketika kita jatuh ke dalam lubang hitam berdasarkan perhitungannya.
Ada banyak pelajaran yang bisa dipetik dari hasil ini, dan banyak di antaranya kontra-intuitif. Mencoba mencari tahu akan membantu kita mengubah persepsi visual kita tentang ruang. Biasanya kita membayangkan ruang sebagai semacam struktur tak bergerak dan berpikir bahwa pengamat telah jatuh di suatu tempat di dalamnya. Namun, dalam cakrawala peristiwa, kami terus bergerak. Semua ruang pada dasarnya bergerak seperti sabuk konveyor. Itu bergerak secara konstan, menggerakkan segala sesuatu di dalam dirinya sendiri ke arah singularitas.
Itu menggerakkan segalanya begitu cepat sehingga bahkan jika kita mulai mempercepat menjauh dari singularitas, memiliki jumlah gaya yang tak terbatas, kita masih akan jatuh ke tengah. Cahaya dari objek di luar horizon peristiwa masih akan menjangkau kita dari segala arah, tetapi kita, di dalam horizon peristiwa, hanya dapat melihat sebagian dari objek ini.
Garis yang menentukan batas antara apa yang dilihat pengamat disebut kardiodida dalam matematika. Komponen jari-jari terbesar dari kardioid menyentuh cakrawala peristiwa, dan komponen jari-jari terkecil berakhir pada singularitas. Ini berarti bahwa meskipun singularitas adalah sebuah titik, singularitas tidak menghubungkan apa yang masuk dengan yang lainnya. Jika Anda dan saya pergi secara bersamaan ke sisi berlawanan dari cakrawala peristiwa, maka setelah melintasinya, kita tidak dapat lagi melihat satu sama lain.
Alasannya ada pada struktur Semesta itu sendiri, yang terus bergerak. Di dalam cakrawala peristiwa, ruang bergerak lebih cepat daripada cahaya, dan oleh karena itu tidak ada yang bisa melampaui lubang hitam. Untuk alasan yang sama, saat berada di dalam lubang hitam, kita mulai melihat hal-hal aneh, misalnya, banyak gambar dari objek yang sama.
Anda dapat memahami hal ini dengan mengajukan pertanyaan berikut: "Di mana singularitasnya?"
Berada di dalam cakrawala peristiwa lubang hitam, kita, setelah mulai bergerak ke segala arah, pada akhirnya akan mengubur diri kita dalam singularitas. Sungguh menakjubkan, tetapi singularitas muncul ke segala arah! Jika Anda menggerakkan kaki ke depan dan mempercepat, Anda akan melihat kaki Anda di bawah dan di atas Anda pada saat yang bersamaan. Semua ini cukup mudah untuk dihitung, meskipun gambaran seperti itu tampaknya merupakan paradoks yang mencolok. Sementara itu, kami hanya mempertimbangkan kasus yang disederhanakan: lubang hitam yang tidak berputar.
Foto pertama lubang hitam dan lingkarannya yang berapi-api.
Sekarang mari kita turun ke hal terlucu dalam hal fisika dan melihat lubang hitam yang berputar. Lubang hitam berasal dari sistem materi, seperti bintang, yang terus berputar pada satu kecepatan atau lainnya. Di Alam Semesta kita (dan dalam relativitas umum), torsi adalah properti kekekalan dari sistem tertutup mana pun, dan tidak ada cara untuk menghilangkannya. Ketika agregat materi menyusut ke radius yang kurang dari radius horizon peristiwa, momen rotasi, seperti massa, terperangkap dan terperangkap di dalamnya.
Solusinya jauh lebih rumit di sini. Einstein mengajukan teori relativitas pada tahun 1915, dan Karl Schwarzschild mendapatkan solusi untuk lubang hitam yang tidak berputar pada awal tahun 1916, yaitu beberapa bulan kemudian. Tetapi langkah selanjutnya dalam pemodelan realistis dari masalah ini - mengingat bahwa lubang hitam tidak hanya memiliki massa tetapi juga torsi - diambil hanya pada tahun 1963 oleh Roy Kerr, yang menemukan solusi.
Ada beberapa perbedaan mendasar dan penting antara solusi Schwarzschild yang agak naif dan sederhana, dan solusi Kerr yang lebih realistis dan kompleks. Berikut beberapa perbedaan yang mengejutkan:
1. Alih-alih solusi tunggal untuk pertanyaan di mana cakrawala peristiwa berada, lubang hitam yang berputar memiliki dua solusi matematis: cakrawala peristiwa dalam dan luar.
2. Di luar cakrawala peristiwa luar, ada tempat yang dikenal sebagai ergosfer, di mana ruang itu sendiri bergerak dengan kecepatan sudut yang sama dengan kecepatan cahaya, dan partikel yang memasukinya menerima percepatan yang sangat besar.
3. Ada rasio torsi / massa maksimum yang diijinkan. Jika nilai torsi terlalu besar, lubang hitam memancarkan energi ini (melalui radiasi gravitasi) hingga rasio kembali normal.
4. Dan yang paling mencolok adalah singularitas di pusat black hole bukan lagi sebuah titik, melainkan cincin satu dimensi, di mana jari-jari cincin ditentukan oleh massa dan momen rotasi black hole.
Mengetahui semua ini, dapatkah kita memahami apa yang terjadi ketika kita masuk ke dalam lubang hitam yang berputar? Ya, sama seperti memasuki lubang hitam yang tidak berputar, kecuali bahwa ruang angkasa tidak berperilaku seolah-olah jatuh ke dalam singularitas pusat. Ruang berperilaku seolah-olah ditarik mengelilingi keliling ke arah rotasi. Ini terlihat seperti pusaran air. Semakin besar rasio gerak rotasi terhadap massa, maka semakin cepat rotasi terjadi.
Ini berarti bahwa jika kita melihat sesuatu jatuh ke dalam, kita akan melihat bagaimana sesuatu berubah menjadi merah dan perlahan-lahan menghilang, tetapi tidak hanya. Itu dikompresi dan berubah menjadi cincin atau cakram ke arah rotasi. Jika kita masuk ke dalam, kita akan dilingkari seperti di komidi putar gila, tersedot ke tengah. Dan ketika kita mencapai singularitas, itu akan berbentuk cincin. Bagian tubuh yang berbeda akan jatuh ke dalam singularitas pada permukaan ergositik bagian dalam lubang hitam Kerr dalam koordinat spasial yang berbeda. Saat kita mendekati singularitas dari dalam cakrawala peristiwa, secara bertahap kita akan kehilangan kemampuan untuk melihat bagian lain dari tubuh kita.
Informasi terpenting yang bisa ditarik dari semua ini adalah bahwa struktur ruang itu sendiri sedang bergerak; dan cakrawala peristiwa didefinisikan sebagai tempat di mana Anda, bahkan dengan kemampuan untuk melakukan perjalanan pada batas kecepatan kosmik tertinggi, yaitu kecepatan cahaya, dan ke segala arah, akan selalu menemukan singularitas.
Rendering Andrew Hamilton adalah simulasi terbaik dan paling akurat secara ilmiah tentang apa yang terjadi saat Anda mencapai lubang hitam. Mereka sangat berlawanan dengan intuisi dan paradoks sehingga saya hanya dapat merekomendasikan satu hal kepada Anda: awasi mereka berulang kali sampai Anda membodohi diri sendiri dengan berpikir bahwa Anda memahaminya. Ini adalah pemandangan yang indah dan fantastis. Dan jika semangat petualangan dalam diri Anda begitu kuat sehingga Anda memutuskan untuk masuk ke lubang hitam dan masuk ke dalam cakrawala peristiwa, ini akan menjadi hal terakhir yang Anda lihat!
Ethan Siegel
