Ide lubang hitam dimulai pada tahun 1783, ketika ilmuwan Cambridge John Michell menyadari bahwa benda yang cukup masif di ruang yang cukup kecil bahkan dapat menarik cahaya tanpa membiarkannya melarikan diri. Lebih dari satu abad kemudian, Karl Schwarzschild menemukan solusi yang tepat untuk teori relativitas umum Einstein, yang memprediksi hasil yang sama: lubang hitam. Baik Michell dan Schwarzschild memprediksikan hubungan yang jelas antara event horizon, atau radius wilayah di mana cahaya tidak bisa lepas, dan massa lubang hitam.
Selama 103 tahun setelah prediksi Schwarzschild, itu tidak dapat diverifikasi. Dan hanya pada 10 April 2019, para ilmuwan menemukan foto pertama dari cakrawala peristiwa. Teori Einstein bekerja lagi, seperti biasanya.
Meskipun kami sudah mengetahui cukup banyak tentang lubang hitam, bahkan sebelum cuplikan pertama dari cakrawala peristiwa, itu banyak berubah dan memperjelas. Kami punya banyak pertanyaan yang sekarang punya jawaban.
Pada 10 April 2019, kolaborasi Event Horizon Telescope mempresentasikan snapshot pertama yang sukses dari event horizon lubang hitam. Lubang hitam ini terletak di Messier 87: galaksi terbesar dan paling masif di superkluster galaksi lokal kita. Diameter sudut cakrawala peristiwa adalah 42 detik busur mikro. Artinya, dibutuhkan 23 kuadriliun lubang hitam dengan ukuran yang sama untuk menutupi seluruh langit.
Pada jarak 55 juta tahun cahaya, perkiraan massa lubang hitam adalah 6,5 miliar kali Matahari. Secara fisik, ini sesuai dengan ukuran yang lebih besar dari ukuran orbit Pluto mengelilingi Matahari. Jika tidak ada lubang hitam, dibutuhkan cahaya sekitar satu hari untuk melewati diameter cakrawala peristiwa. Dan hanya karena:
- Teleskop cakrawala peristiwa memiliki resolusi yang cukup untuk melihat lubang hitam ini
- lubang hitam memancarkan gelombang radio dengan kuat
- sangat sedikit gelombang radio di latar belakang yang mengganggu sinyal
kami bisa mendapatkan bidikan pertama ini. Dari situ kami sekarang telah mempelajari sepuluh pelajaran yang sangat penting.
Video promosi:
Kami mempelajari seperti apa lubang hitam itu. Apa berikutnya?
Ini benar-benar lubang hitam, seperti yang diramalkan oleh relativitas umum. Jika Anda pernah melihat artikel berjudul "ahli teori dengan berani mengklaim bahwa lubang hitam tidak ada" atau "teori gravitasi baru ini dapat mengubah Einstein," Anda kira fisikawan tidak memiliki masalah dalam membuat teori alternatif. Meskipun relativitas umum telah lulus semua pengujian yang kami lakukan, fisikawan tidak kekurangan ekstensi, penggantian, atau alternatif yang mungkin.
Dan mengamati lubang hitam mengesampingkan sejumlah besar dari mereka. Sekarang kita tahu bahwa ini adalah lubang hitam, bukan lubang cacing. Kita tahu bahwa cakrawala peristiwa ada dan ini bukan singularitas telanjang. Kita tahu bahwa cakrawala peristiwa bukanlah permukaan padat, karena materi yang jatuh pasti mengeluarkan tanda inframerah. Dan semua pengamatan ini konsisten dengan relativitas umum.
Namun, pengamatan ini tidak mengatakan apa-apa tentang materi gelap, teori gravitasi yang paling dimodifikasi, gravitasi kuantum, atau apa yang ada di balik cakrawala peristiwa. Ide-ide ini berada di luar cakupan pengamatan EHT.
Dinamika gravitasi bintang memberikan perkiraan yang baik untuk massa lubang hitam; observasi gas - no. Sebelum gambar pertama lubang hitam, kami memiliki beberapa cara berbeda untuk mengukur massa lubang hitam.
Kita bisa menggunakan pengukuran bintang - seperti orbit individu bintang di dekat lubang hitam di galaksi kita sendiri atau garis serapan bintang di M87 - yang memberi kita massa gravitasi, atau emisi dari gas yang bergerak di sekitar lubang hitam pusat.
Untuk galaksi kita dan M87, kedua perkiraan ini sangat berbeda: perkiraan gravitasi 50-90% lebih tinggi daripada perkiraan gas. Untuk M87, pengukuran gas menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki 3,5 miliar matahari, dan pengukuran gravitasi mendekati 6,2 - 6,6 miliar, tetapi hasil EHT menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki 6,5 miliar massa matahari, yang berarti, dinamika gravitasi adalah indikator yang sangat baik dari massa lubang hitam, tetapi kesimpulan gas bergeser ke nilai yang lebih rendah. Ini adalah kesempatan besar untuk meninjau kembali asumsi astrofisika kami tentang gas orbital.
Itu harus menjadi lubang hitam yang berputar, dan poros titik rotasinya menjauh dari Bumi. Melalui pengamatan cakrawala peristiwa, emisi radio di sekitarnya, jet skala besar, dan emisi radio yang diukur oleh observatorium lain, EHT telah menentukan bahwa itu adalah lubang hitam Kerr (berputar), bukan lubang hitam Schwarzschild (tidak berputar).
Tidak ada satu pun ciri sederhana dari lubang hitam yang dapat kita pelajari untuk menentukan sifat ini. Sebaliknya, kita harus membuat model lubang hitam itu sendiri dan materi di luarnya, lalu mengembangkannya untuk memahami apa yang terjadi. Saat Anda mencari kemungkinan sinyal yang mungkin muncul, Anda mendapat kesempatan untuk membatasinya agar konsisten dengan hasil Anda. Lubang hitam ini harus berputar, dan sumbu titik rotasi dari bumi sekitar 17 derajat.
Kami akhirnya dapat menentukan bahwa ada material di sekitar lubang hitam, yang berhubungan dengan disk dan aliran akresi. Kami sudah tahu bahwa M87 memiliki jet - dari pengamatan optik - dan juga dipancarkan dalam rentang radio dan sinar-X. Jenis radiasi ini tidak dapat diperoleh hanya dari bintang atau foton: Anda membutuhkan materi, serta elektron. Hanya dengan mempercepat elektron di medan magnet kita bisa mendapatkan emisi radio karakteristik seperti yang kita lihat: radiasi sinkrotron.
Dan itu juga membutuhkan banyak sekali pekerjaan modeling. Dengan menyesuaikan semua parameter yang mungkin dari semua model yang mungkin, Anda akan belajar bahwa pengamatan ini tidak hanya membutuhkan aliran akresi untuk menjelaskan hasil radio, tetapi juga memprediksi hasil gelombang non-radio - seperti sinar-X. Pengamatan terpenting tidak hanya dilakukan oleh EHT, tetapi juga oleh observatorium lain seperti teleskop sinar-X Chandra. Fluks akresi harus memanas, sebagaimana dibuktikan dengan spektrum emisi magnet M87, sesuai dengan elektron percepatan relativistik dalam medan magnet.
Cincin yang terlihat menunjukkan gaya gravitasi dan lensa gravitasi di sekitar lubang hitam pusat; dan lagi-lagi relativitas umum diuji. Cincin dalam jangkauan radio ini tidak sesuai dengan cakrawala peristiwa itu sendiri dan tidak sesuai dengan cincin partikel yang berputar. Dan itu juga bukan orbit melingkar paling stabil dari lubang hitam. Tidak, cincin ini muncul dari bola foton berlensa gravitasi yang jalurnya dibengkokkan oleh gravitasi lubang hitam menuju mata kita.
Cahaya ini membengkok ke dalam bola yang lebih besar dari yang diperkirakan jika gravitasi tidak sekuat itu. Seperti yang ditulis oleh Event Horizon Telescope Collaboration:
"Kami menemukan bahwa lebih dari 50% dari total fluks dalam detik busur lewat di dekat cakrawala dan bahwa radiasi ini ditekan dengan tajam ketika menghantam wilayah ini, dengan faktor 10, yang merupakan bukti langsung dari bayangan lubang hitam yang diprediksi."
Teori relativitas umum Einstein sekali lagi terbukti benar.
Lubang hitam adalah fenomena dinamis, radiasi berubah seiring waktu. Dengan massa 6,5 miliar matahari, dibutuhkan cahaya sekitar sehari untuk melintasi cakrawala peristiwa lubang hitam. Ini secara kasar menetapkan kerangka waktu di mana kita dapat berharap untuk melihat perubahan dan fluktuasi emisi yang diamati oleh EHT.
Bahkan pengamatan yang berlangsung selama beberapa hari memungkinkan kami untuk memastikan bahwa struktur radiasi yang dipancarkan berubah seiring waktu, seperti yang diperkirakan. Data tahun 2017 berisi empat malam observasi. Bahkan dengan melihat keempat gambar ini, Anda dapat melihat secara visual bahwa dua yang pertama memiliki fitur yang mirip dan dua yang terakhir juga, namun terdapat perbedaan yang signifikan antara yang pertama dan yang terakhir. Dengan kata lain, sifat radiasi di sekitar lubang hitam di M87 memang berubah seiring waktu.
EHT di masa depan akan mengungkap asal fisik semburan lubang hitam. Kita telah melihat, baik dalam sinar-X maupun pita radio, bahwa lubang hitam di pusat Bima Sakti kita memancarkan semburan radiasi singkat. Meskipun gambar lubang hitam pertama yang disajikan menunjukkan objek supermasif di M87, lubang hitam di galaksi kita - Sagitarius A * - akan sama besarnya, hanya berubah lebih cepat.
Dibandingkan dengan massa M87 - 6,5 miliar massa matahari - massa Sagitarius A * hanya akan menjadi 4 juta massa Matahari: 0,06% dari yang pertama. Ini berarti fluktuasi tidak lagi diamati pada siang hari, tetapi bahkan dalam satu menit. Ciri-ciri lubang hitam akan berubah dengan cepat, dan ketika terjadi wabah, kita dapat mengungkapkan sifatnya.
Bagaimana flare berhubungan dengan suhu dan luminositas gambar radio yang kita lihat? Adakah rekoneksi magnetik, seperti pada ejeksi massa koronal Matahari kita? Apakah ada yang meledak dalam aliran pertambahan? Sagitarius A * berkedip setiap hari, jadi kami akan dapat mengaitkan semua sinyal yang diperlukan dengan peristiwa ini. Jika model dan pengamatan kami sebagus M87, kami mungkin dapat menentukan apa yang mendorong peristiwa ini dan bahkan mungkin tahu apa yang jatuh ke dalam lubang hitam yang menciptakannya.
Data polarisasi akan muncul yang akan mengungkapkan apakah lubang hitam memiliki medan magnetnya sendiri. Meskipun kami semua sangat senang melihat cuplikan pertama cakrawala peristiwa lubang hitam, penting untuk dipahami bahwa gambar yang benar-benar unik akan segera muncul: polarisasi cahaya yang berasal dari lubang hitam. Karena sifat elektromagnetik cahaya, interaksinya dengan medan magnet akan menghasilkan tanda polarisasi tertentu di atasnya, memungkinkan kita untuk merekonstruksi medan magnet lubang hitam, serta bagaimana ia berubah seiring waktu.
Kita tahu bahwa materi di luar horizon peristiwa, yang pada dasarnya menggerakkan partikel bermuatan (seperti elektron), menghasilkan medan magnetnya sendiri. Model menunjukkan bahwa garis medan dapat tetap dalam aliran akresi, atau melewati cakrawala peristiwa, membentuk semacam "jangkar" di lubang hitam. Ada hubungan antara medan magnet ini, akresi dan pertumbuhan lubang hitam, dan jet. Tanpa medan-medan ini, materi dalam aliran pertambahan tidak bisa kehilangan momentum sudut dan jatuh ke cakrawala peristiwa.
Data polarisasi, berkat kekuatan pencitraan polarimetrik, akan memberi tahu kita tentang hal ini. Kami sudah memiliki datanya: tinggal melakukan analisis lengkap.
Peningkatan Event Horizon Telescope akan mengungkap keberadaan lubang hitam lain di dekat pusat galaksi. Ketika sebuah planet berputar mengelilingi Matahari, itu bukan hanya karena Matahari memiliki efek gravitasi pada planet tersebut. Selalu ada reaksi yang sama dan berlawanan: planet mempengaruhi matahari. Demikian pula, ketika sebuah benda mengorbit lubang hitam, ia juga memberikan tekanan gravitasi pada lubang hitam tersebut. Di hadapan seluruh kumpulan massa di dekat pusat galaksi - dan, dalam teori, banyak lubang hitam tak terlihat sejauh ini - lubang hitam pusat seharusnya benar-benar bergetar di tempatnya, ditarik terpisah oleh gerakan Brown dari benda-benda di sekitarnya.
Trik untuk melakukan pengukuran ini hari ini adalah Anda memerlukan titik referensi untuk mengkalibrasi posisi Anda relatif terhadap lokasi lubang hitam. Teknik untuk pengukuran seperti itu mengasumsikan bahwa Anda melihat kalibrator, sumbernya, lagi kalibrator, sumbernya lagi, dan seterusnya. Pada saat yang sama, Anda perlu mengalihkan pandangan dengan sangat cepat. Sayangnya, atmosfer berubah sangat cepat, dan banyak yang bisa berubah dalam 1 detik, jadi Anda tidak punya waktu untuk membandingkan dua objek. Bagaimanapun, tidak dengan teknologi modern.
Namun teknologi di bidang ini berkembang sangat cepat. Alat yang digunakan pada EHT sedang menunggu pembaruan dan mungkin dapat mencapai kecepatan yang dibutuhkan pada pertengahan tahun 2020-an. Teka-teki ini dapat diselesaikan pada akhir dekade berikutnya, berkat instrumentasi yang ditingkatkan.
Akhirnya, Teleskop Event Horizon pada akhirnya akan melihat ratusan lubang hitam. Untuk membongkar lubang hitam, resolusi larik teleskop harus lebih baik (yaitu resolusi tinggi) daripada ukuran objek yang Anda cari. Saat ini, EHT hanya dapat melihat tiga lubang hitam yang diketahui di alam semesta dengan diameter yang cukup besar: Sagitarius A *, pusat M87, pusat galaksi NGC 1277.
Tapi kita bisa meningkatkan kekuatan mata Teleskop Event Horizon ke ukuran Bumi jika kita meluncurkan teleskop ke orbit. Secara teori, hal ini secara teknis sudah bisa dicapai. Peningkatan jumlah teleskop meningkatkan jumlah dan frekuensi pengamatan, serta resolusinya.
Dengan melakukan perbaikan yang diperlukan, alih-alih 2-3 galaksi, kita akan dapat menemukan ratusan lubang hitam atau bahkan lebih. Masa depan album foto lubang hitam terlihat cerah.
Proyek Event Horizon Telescope itu mahal, tetapi berhasil. Hari ini kita hidup di era astronomi lubang hitam dan akhirnya bisa mengamatinya dengan mata kepala sendiri. Ini baru permulaan.
Ilya Khel
