[비즈한국] Lubang hitam adalah entitas menarik yang memikat hati setiap orang yang mencintai alam semesta. Namun, secara pribadi, saya merasa nama "lubang hitam" kurang tepat jika dibandingkan dengan ketenarannya. Jika diterjemahkan secara harfiah, lubang hitam berarti 'lubang berwarna hitam'. Padahal kenyataannya, lubang hitam tidak 'hitam'. Pada dasarnya, lubang hitam tidak memiliki warna karena ia tidak memancarkan cahaya sama sekali. Istilah 'hitam' (black) disematkan karena gravitasinya yang begitu kuat hingga cahaya dengan kecepatan tinggi pun tidak bisa lolos, sehingga terciptalah kegelapan yang sangat dalam di ruang-waktu. Mungkin istilah seperti 'gelap' (dark), yang berarti ketiadaan cahaya, akan jauh lebih tepat.
Bukan hanya itu yang membingungkan. Memang benar lubang hitam tidak bersinar karena gravitasinya yang luar biasa, tetapi bukan berarti ia sama sekali tidak memancarkan cahaya. Secara teknis, lubang hitam itu sendiri memang gelap, namun materi di sekitarnya yang terperangkap oleh gravitasinya dapat memanas hingga suhu yang sangat tinggi dan memancarkan cahaya. Terlebih lagi, partikel-partikel yang terakselerasi akibat medan magnet kuat di sekitar lubang hitam juga memancarkan cahaya misterius. Cahaya ini begitu kuat hingga melampaui cahaya tampak, menghasilkan energi sangat tinggi dalam bentuk sinar-X dan sinar gamma. Meski dinamai lubang hitam karena dianggap tidak memancarkan cahaya, faktanya ia adalah entitas yang memancarkan cahaya paling kuat di alam semesta. Saya merasa nama lubang hitam itu sendiri sudah sangat kontradiktif dan misterius.
Baru-baru ini, Teleskop Luar Angkasa James Webb menangkap cahaya yang sangat menarik dari Sagittarius A*, lubang hitam bermassa supermasif yang berada di pusat galaksi kita. Lubang hitam tersebut tidak hanya memancarkan cahaya berenergi tinggi, tetapi cahaya itu juga berkedip! Para astronom menyebut fenomena ini sebagai 'kedipan lubang hitam' (black hole’s flickering).
Pertama-tama, kita perlu memahami bagaimana cahaya berenergi tinggi yang paling kuat di alam semesta bisa hidup berdampingan dengan kegelapan paling pekat. Mekanisme utamanya terjadi pada cakram akresi yang menyelimuti lubang hitam. Jika ada "makanan" lezat di sekitar lubang hitam, seperti awan gas atau bintang, materi tersebut akan tersedot secara perlahan ke sekitar lubang hitam akibat gravitasi yang kuat. Semakin dekat dengan lubang hitam, kecepatannya semakin meningkat. Selama belum melewati cakrawala peristiwa lubang hitam, materi yang berputar dengan kecepatan cukup tinggi dapat bertahan dari gravitasi dan mempertahankan orbitnya. Saat itulah, materi yang berputar cepat saling bertabrakan, menciptakan gesekan dan panas. Suhunya memanas jauh melampaui suhu permukaan bintang biasa seperti Matahari. Itulah sebabnya sinar-X terdeteksi di cakram akresi. Sebelumnya, sesuatu yang mengerikan yang melahap materi di arah pusat galaksi kita, Sagittarius, juga ditemukan melalui pengamatan sinar-X.
Karena cakram akresi memancarkan sinar-X yang jelas sekaligus berotasi dengan kecepatan tinggi, kita dapat mengetahui keberadaan dan massa lubang hitam dengan relatif mudah. Hal ini dikarenakan efek Doppler, di mana panjang gelombang cahaya yang teramati berubah saat cakram berputar; sebagian mendekat ke arah pandangan kita, sementara sebagian lainnya bergerak menjauh. Dengan memanfaatkan ini, kita bisa menentukan seberapa cepat cakram akresi yang terjebak gravitasi lubang hitam berputar, serta seberapa besar massa lubang hitam di pusatnya.
Namun, cahaya yang dipancarkan dari lubang hitam bukan hanya sinar-X dari cakram akresi. Jika itu adalah lubang hitam bermassa supermasif di pusat galaksi dengan banyak "makanan" di sekitarnya, kita bisa menemukan struktur yang jauh lebih kompleks dan beragam saat menjauh dari lubang hitam. Di bagian luar cakram akresi, terdapat awan debu yang menyelimutinya dengan kepadatan tinggi dalam bentuk donat. Donat debu yang mengelilingi lubang hitam dan cakram akresi menyerap sebagian sinar-X dan memanas hingga suhu hangat. Setelah itu, donat debu memancarkan kembali cahaya tersebut dalam spektrum inframerah yang energinya lebih rendah. Dengan cara ini, spektrum keseluruhan lubang hitam yang diamati menjadi lebih kaya.
Faktor yang menentukan seberapa banyak sinar-X terhalang oleh donat debu dan seberapa banyak cahaya dari donat debu yang hangat teramati adalah hal yang cukup sederhana. Saat dilihat dari langit kita, faktornya adalah kemiringan, yaitu seberapa miring cakram dan donat di sekitar lubang hitam terlihat. Jika kita melihat donat debu dari sisi samping, kita akan melihat cakram akresi dan sinar-X di pusatnya tertutup cukup banyak. Sebaliknya, jika kita melihat cakram dari arah atas, kita bisa melihat sinar-X yang kuat tanpa banyak hambatan.
Dulu, ada masa di mana lubang hitam di pusat galaksi dengan spektrum yang berbeda-beda dianggap sebagai lubang hitam yang terpisah dengan mekanisme yang sama sekali berbeda. Namun sekarang, kita memahami bahwa itu hanya masalah sudut pandang, dan kita melihat berbagai lubang hitam di pusat galaksi sebagai satu gambaran yang utuh.
Terakhir, ada cahaya lain yang menarik dari lubang hitam. Lubang hitam yang berotasi dengan cepat membentuk medan magnet yang sangat kuat di sepanjang sumbu rotasinya. Karena suhu panas di cakram akresi sekitar lubang hitam, partikel-partikel terionisasi mengikuti medan magnet tersebut membentuk spiral, dan terakselerasi hingga mendekati kecepatan cahaya. Ketika partikel terakselerasi, mereka memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan ini teramati dalam rentang panjang gelombang yang luas, mulai dari sinar-X hingga inframerah; fenomena ini disebut radiasi sinkrotron.
Teleskop Luar Angkasa James Webb pada dasarnya mengamati alam semesta dalam inframerah. Dari berbagai cahaya yang dipancarkan lubang hitam, teleskop ini hanya melihat inframerah. Sejak tahun 2023 hingga 2024, para astronom mengamati kecerahan cahaya yang keluar dari lubang hitam Sagittarius A* di pusat galaksi kita pada dua panjang gelombang inframerah, yaitu 2,1μm dan 4,8μm. Jika diakumulasikan, total waktu pengamatan mencapai sekitar 48 jam. Untuk membandingkan perubahan kecerahan lubang hitam yang bergejolak secara adil, dua bintang yang terlihat di bidang pandang yang sama dijadikan sebagai bintang referensi. Dengan menjadikan dua bintang yang kecerahannya hampir konstan selama periode pengamatan sebagai standar, intensitas cahaya di sekitar lubang hitam yang tertangkap saat pengamatan dapat distandarisasi.
Pada grafik di atas, kita dapat melihat hasil yang menarik. Garis biru adalah perubahan yang diamati dengan cahaya panjang gelombang 2,1μm yang energinya sedikit lebih tinggi, dan garis merah adalah perubahan yang diamati dengan panjang gelombang 4,8μm yang energinya lebih rendah. Garis hitam adalah pola perubahan kecerahan konstan dari bintang referensi yang diamati bersama. Jika dibandingkan dengan pola kecerahan bintang referensi, jelas bahwa perubahan kecerahan yang bergejolak ini adalah perubahan nyata yang terjadi di sekitar lubang hitam Sagittarius A*. Bersamaan dengan pola gejolak kecil secara keseluruhan, kita juga bisa melihat fenomena seperti suar (flare) di mana kecerahan tiba-tiba meningkat tajam lalu menurun.
Para astronom melangkah lebih jauh. Jika kita membandingkan garis biru dan merah, kita bisa melihat pola menarik dalam semua data. Garis biru selalu mencapai puncaknya lebih dulu, kemudian setelah selisih waktu yang singkat, garis merah mencapai puncaknya. Dengan kata lain, cahaya dengan energi yang lebih tinggi (panjang gelombang pendek) bersinar lebih dulu, disusul sekitar 30-40 detik kemudian oleh cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang.
Para astronom menjelaskan gejolak kecerahan besar dan kecil yang terlihat di kedua panjang gelombang inframerah tersebut dengan dua cara utama. Pertama adalah gejolak yang terjadi di dalam cakram akresi itu sendiri. Kepadatan cakram akresi tempat "makanan" yang dilahap lubang hitam tersebar tidak selalu merata. Beberapa bagian mungkin memiliki kepadatan lebih tinggi dan suhu yang lebih panas. Karena cakram akresi dengan kepadatan yang berubah-ubah ini berotasi dengan cepat dan memancarkan cahaya, hal ini dapat menimbulkan gejolak pada intensitas cahaya dalam skala yang relatif kecil dari waktu ke waktu.
Selain itu, medan magnet yang terbentuk kuat di sekitar lubang hitam dapat menjadi penyebab suar yang lebih hebat. Ini mirip dengan saat suar meletus di Matahari. Saat berkas medan magnet yang terbentuk di sekitar lubang hitam saling bergabung kembali dan terhubung, sejumlah besar partikel dapat terpancar keluar dalam sekejap. Proses ini merupakan fenomena ledakan yang sangat kuat. Oleh karena itu, perbedaan kecerahan antar panjang gelombang tidak terlalu besar. Baik pada panjang gelombang 2,1μm maupun 4,8μm, keduanya terlihat sebagai kilatan yang sangat terang. Para astronom memperkirakan bahwa fakta di mana kecerahan puncak pada kedua panjang gelombang hampir sama saat suar mendadak tertangkap, sangat mendukung hipotesis ini.
Seperti yang terlihat, lubang hitam sebenarnya adalah entitas yang sangat bergejolak. Jika dilihat sekilas, mungkin kita menganggap lubang hitam hanyalah entitas membosankan yang selalu diam dan membisu di tengah kegelapan, namun kenyataannya justru sebaliknya. Lubang hitam adalah entitas yang paling kacau di alam semesta, bahkan memuntahkan kilatan yang menyilaukan seperti suar Matahari. Untuk memahami sosok lubang hitam yang bergejolak setiap saat dengan lebih tepat, kita perlu memantau lubang hitam tanpa mengalihkan pandangan dalam waktu yang lebih lama. Oleh karena itu, para astronom yang memimpin penelitian ini dengan berani meminta waktu observasi James Webb sekali lagi. Ini adalah pengamatan di mana mata James Webb akan menatap hanya pada lubang hitam Sagittarius A* tanpa henti selama 24 jam sehari. Jika pengamatan ini selesai dengan lancar, kita akan dapat memahami apa yang terjadi di sekitar lubang hitam sepanjang hari tanpa celah yang terputus di tengah grafik.
Hari di mana kita bisa mengintip setiap gerak-gerik lubang hitam di pusat galaksi kita—sebuah tayangan hiburan observasi paling berat di alam semesta—akan segera terwujud.
Referensi
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ada88b
https://www.stsci.edu/jwst/phase2-public/3559.pdf
Siapa penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia bercita-cita untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi galaksi melalui interaksi antar galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Some-taneun Cheonmundae' (Observatorium yang Sedang PDKT), 'Haru Jongil Uju Saenggak' (Berpikir tentang Alam Semesta Sepanjang Hari), dan 'Byeol, Bit-ui Gwahak' (Bintang, Sains Cahaya).