Bagaimana Lubang Hitam Ditemui Walaupun Tidak Dapat Dilihat Secara Langsung?

Lubang hitam (black hole) ialah kawasan angkasa yang gravitinya begitu kuat sehingga tiada apa pun, termasuk cahaya, dapat keluar daripadanya. Ia terbentuk apabila jisim yang sangat besar termampat ke dalam ruang yang sangat kecil, misalnya apabila teras sebuah bintang yang sangat berat runtuh pada akhir hayatnya. Oleh sebab tiada cahaya yang keluar, lubang hitam tidak dapat dilihat seperti bintang atau planet, tetapi graviti yang sama mempengaruhi bintang dan gas di sekitarnya, dan pengaruh itulah yang dapat diukur.

Apakah lubang hitam dan ufuk peristiwa?

Setiap objek berjisim mempunyai kelajuan lepas, iaitu kelajuan minimum yang diperlukan untuk melepaskan diri daripada gravitinya. Di permukaan Bumi, kelajuan lepas ialah kira-kira 11 kilometer sesaat, dan nilainya meningkat apabila jisim yang sama dimampatkan ke dalam ruang yang lebih kecil. Dalam model Newtonian, jika kita menggunakan konsep kelajuan lepas, jejari tertentu bagi objek yang sangat mampat memberikan nilai kelajuan lepas sebesar kelajuan cahaya, iaitu had kelajuan tertinggi di alam semesta. Dalam relativiti am, gambaran yang lebih tepat ialah bahawa ufuk peristiwa merupakan sempadan ruang-masa yang selepas dilintasi tidak mempunyai laluan kembali ke luar, termasuk bagi cahaya.

Ufuk peristiwa bukan permukaan pepejal yang boleh disentuh. Ia hanya sempadan yang, apabila dilepasi, tidak membenarkan apa-apa kembali ke luar. Saiznya bergantung pada jisim: bagi jisim sebesar Matahari, jejari ufuk peristiwa hanya kira-kira 3 kilometer, sedangkan jejari Matahari yang sebenar kira-kira 700 000 kilometer. Angka ini menunjukkan betapa mampatnya jisim yang perlu wujud sebelum sebuah lubang hitam terbentuk.

Di luar ufuk peristiwa, cahaya yang bergerak ke arah luar masih dapat melepaskan diri, walaupun tenaganya berkurang apabila mendaki keluar daripada medan graviti yang kuat. Selepas melintasi ufuk peristiwa, semua laluan yang menuju ke masa hadapan kekal menuju ke bahagian dalam dan tidak boleh kembali ke luar. Sebab itulah tiada teleskop, betapa canggih pun, dapat menerima cahaya yang datang dari dalam ufuk peristiwa.

Mengapa lubang hitam dikesan secara tidak langsung

Cara pertama ialah memerhatikan gerakan bintang yang berada berhampiran lubang hitam. Jika beberapa bintang mengorbit sesuatu yang tidak kelihatan dengan sangat pantas, saiz dan tempoh orbit itu membolehkan jisim objek tersebut dikira menggunakan hukum graviti. Apabila jisim yang sangat besar didapati tertumpu dalam ruang yang sangat kecil dan tidak memancarkan cahaya yang dapat dikesan, lubang hitam menjadi penjelasan yang paling sesuai.

Cara kedua ialah memerhatikan gas yang jatuh ke arah lubang hitam. Sebelum melepasi ufuk peristiwa, gas itu dipercepatkan dan dimampatkan ke dalam cakera berpusar yang dipanggil cakera pertambahan. Interaksi, turbulens dan tegasan magnet dalam cakera memindahkan momentum dan menukarkan sebahagian tenaga graviti kepada haba, menyebabkan gas menjadi sangat panas dan memancarkan sinaran, termasuk sinaran-X yang boleh dikesan oleh teleskop di angkasa. Cahaya ini datang daripada gas yang sedang ditarik masuk, bukan daripada lubang hitam itu sendiri.

Sejarah penemuan

Idea lubang hitam bermula daripada teori relativiti am Albert Einstein pada tahun 1915. Pada tahun 1916, Karl Schwarzschild memperoleh penyelesaian tepat pertama bagi persamaan Einstein untuk jisim yang bulat, dan penyelesaian itu menunjukkan wujudnya jejari kritikal yang kini dinamakan jejari Schwarzschild. Pada mulanya ramai ahli fizik menganggap keadaan itu hanya keanehan matematik. Pandangan ini mula berubah apabila Subrahmanyan Chandrasekhar menunjukkan, sekitar tahun 1930, bahawa bintang kerdil putih yang jisimnya melebihi kira-kira 1.4 kali jisim Matahari tidak dapat menahan gravitinya sendiri. Had ini dikenali sebagai had Chandrasekhar, dan ia menimbulkan soalan tentang nasib bintang yang lebih berat.

Bukti pemerhatian awal datang daripada Cygnus X-1, sumber sinaran-X yang terang dalam buruj Cygnus. Pada awal 1970-an, ahli astronomi mengaitkannya dengan sebuah bintang biasa yang mengorbit teman yang tidak kelihatan. Gerakan bintang itu menunjukkan bahawa temannya beberapa kali ganda lebih berat daripada Matahari, terlalu berat untuk menjadi bintang neutron, dan sinaran-X daripadanya berubah dengan sangat pantas. Cygnus X-1 lalu menjadi antara calon lubang hitam pertama yang sangat meyakinkan.

Sejak awal 1990-an, dua kumpulan penyelidik yang diketuai Reinhard Genzel dan Andrea Ghez menjejaki bintang di pusat Bimasakti. Salah satu bintang itu, S2, mengorbit dalam tempoh kira-kira 16 tahun mengelilingi objek tidak kelihatan yang dinamakan Sagittarius A*. Pengiraan menunjukkan jisim objek itu kira-kira 4 juta kali jisim Matahari. Kajian ini menjadi sebahagian daripada Hadiah Nobel Fizik 2020, yang dikongsi dengan Roger Penrose atas sumbangan teorinya tentang pembentukan lubang hitam.

Pada 14 September 2015, pengesan LIGO di Amerika Syarikat merakamkan gelombang graviti buat pertama kali, iaitu riak dalam ruang dan masa yang terhasil apabila dua lubang hitam bergabung. Penemuan ini dihebahkan pada Februari 2016. Kemudian, pada April 2019, kerjasama antarabangsa Event Horizon Telescope menerbitkan imej pertama bayang lubang hitam di pusat galaksi M87, dan pada Mei 2022 menerbitkan imej lubang hitam di pusat Bimasakti, Sagittarius A*. Kedua-dua imej menunjukkan cincin cahaya daripada gas panas yang mengelilingi kawasan gelap di tengah, bukan lubang hitam itu sendiri.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?