Lubang hitam (black hole) adalah bagian dari ruang waktu yang merupakan gravitasi paling kuat, bahkan cahaya tidak bisa kabur. Teori relativitas umum memprediksi bahwa butuh massa besar untuk menciptakan sebuah lubang hitam yang berada di ruang waktu. Di sekitar lubang hitam ada permukaan yang disebut horizon peristiwa. Objek ini disebut “hitam” karena menyerap apapun yang berada disekitarnya dan tidak dapat kembali lagi, bahkan cahaya. Secara teoretis, lubang hitam dapat memliki ukuran sebesar apa pun, dari mikroskopik sampai ke ukuran alam raya yang dapat diamati. Teori medan kuantum dalam ruang-waktu melengkung memprediksi bahwa horizon peristiwa memancarkan radiasi disekitarnya dengan suhu yang terbatas. Suhu ini berbanding terbalik dengan massa lubang hitam, sehingga sulit untuk diamati lubang hitam bermassa bintang atau lebih. Lubang hitam terbagi menjadi 4: lubang hitam bermassa menengah, lubang hitam primordial, lubang hitam bintang, dan lubang hitam supermasif yang sering kali ada di pusat suatu galaksi.[1]

Apakah itu Lubang Hitam?

Lubang Hitam, yang juga akrab disebut Black Hole, adalah sebuah fenomena pelengkungan ruang-waktu yang sangat ekstrim sehingga tidak ada yang bisa lolos dari interaksi gravitasi yang dihasilkan, bahkan kecepatan cahaya sekalipun.

Lubang hitam terjadi disebabkan oleh beberapa faktor. Faktor yang paling umum adalah akibat dari efek gravitasi yang sangat kuat sehingga tekanan internal di skala atom tidak bisa menahan keruntuhan gravitasinya sendiri. Faktor lain penyebab lubang hitam adalah tabrakan dua atau lebih benda padat berenergi tinggi.“Selain massa, energi juga bisa melengkungkan ruang dan waktu. Jadi lubang hitam juga bisa terbentuk tanpa harus ada materi, melainkan murni dari energi yang sangat tinggi difokuskan ke satu titik sehingga tercipta singularitas. Fenomena ini disebut dengan Kugelblitz.”

Baca Juga:  Wawancara Michio Kaku: Peradaban Alien Cerdas Yang Maju

Pada mulanya, bintang terbentuk dengan kondisi dimana tingkat radiasi dan gravitasinya seimbang. Saat bintang kehabisan bahan bakar untuk melakukan fusi, tingkat radiasi keluar semakin melemah dibanding dengan gaya gravitasi ke dalam. Dari sana, bintang mengalami keruntuhan, dan kemudian mengalami sebuah ledakan supernova. Dalam ledakan ini, ada dua kemungkinan hasilnya, menjadi bintang Neutron atau menjadi lubang hitam.

Kematian sebuah bintang sangat bervariasi. Faktor yang mempengaruhi variasi kematian bintang dipengaruhi oleh massa awal bintang tersebut. Bintang bermassa setara dengan Matahari kita akan berubah menjadi white dwarf pada saat ajalnya. Hanya bintang bermassa puluhan kali massa Matahari yang memungkinkan kematian bintang tersebut melahirkan lubang hitam.

Apakah lubang hitam itu nyata atau hanya sekedar konsep matematis saja?

Lubang hitam itu nyata. Mungkin memang terasa tidak masuk di akal untuk membayangkan sebuah planet yang dimampatkan hingga menjadi lubang hitam. Tapi ingat bahwa materi di alam semesta ini tersusun oleh atom. Sedangkan struktur dari atom sendiri didominasi oleh ruang hampa. Jika inti atom (nukleus) kita analogikan berukuran sebesar buah anggur, elektron terdekat berada di jarak sekitar 1.5 kilometer dari nukleusnya.

Di samping itu keberadaan lubang hitam sudah dikonfirmasi oleh para ilmuwan beberapa tahun terakhir ini. Bima Sakti mempunyai satu lubang hitam super-besar berada di tengah-tengah galaksi. Tata surya kita mengorbit lubang hitam ini setiap sekitar 250.000 tahun sekali.[2]

Lubang hitam akan mati melalui proses Radiasi Hawking. Proses ini secara sederhana seperti membongkar bagian per bagian dari lubang hitam. Selama berjalannya waktu, lubang hitam akan terus mengecil, hingga akhirnya mengalami ledakan super besar. Akan tetapi, proses ini cenderung memakan waktu cukup lama.

Baca Juga:  Apa Itu Bintang, Terbentuknya Bintang, Kelahiran Bintang dan Supernova

Bagaimana penjelasan lubang hitam secara teknis?

Disclaimer: Bagian ini berisikan rumus-rumus fisika untuk menjelaskan bagaimana ilmuwan menyimpulkan fenomena lubang hitam. Anda diharapkan untuk mengerti sedikit matematika aljabar dan dasar-dasar fisika untuk menurunkan rumus-rumus di bawah.

Untuk bisa menjelaskan lebih detil bagaimana fenomena ini bisa terjadi, mari kita bahas secara lebih terperinci. Fenomena alam yang kerap kita alami sehari-hari sering melibatkan gravitasi. Contohnya adalah saat kita melempar bola ke atas, bola tersebut akan kembali jatuh ke tanah. Semakin kuat anda melempar bola keatas, semakin jauh bola tersebut bergerak sebelum akhirnya kembali jatuh ke Bumi.

Energi pergerakan yang dihasilkan dari ayunan tangan kita sewaktu melempar bola ke atas disebut sebagai energi kinetik.

E_{kinetik} = \frac{1}{2}mv^2

m — massa bola
v — kecepatan bola

Sedangkan energi yang dihasilkan bola tersebut karena berada di medan gravitasi Bumi disebut energi potensial. (catatan: energi potensial biasanya bertanda negatif karena berlawanan dengan energi kinetik).

E_{potensial} = -\frac{GMm}{r}

G — konstanta gravitasi
M — massa Bumi
m — massa bola
r — jarak antara bola dan Bumi

Pernahkah terpikirkan oleh Anda seberapa cepat anda harus melempar bola ke atas, sehingga bola tersebut tidak akan pernah jatuh kembali ke Bumi? Untuk bisa melakukan hal tersebut akumulasi energi kinetik dan energi potensial harus nol; atau dengan kata lain nilai energi kinetik dan energi potensial adalah sama.

E_{kinetik} + (- E_{potensial}) = 0
E_{kinetik} = E_{potensial}
\frac{1}{2}mv^2 = \frac{GMm}{r}
v^2 = \frac{2GM}{r}
v_{lepas} = \sqrt{\frac{2GM}{r}}

“Kecepatan lepas planet Bumi adalah 11 kilometer/detik. Kecepatan sebuah peluru saja hanya sekitar 1 kilometer/detik. Bayangkan berapa banyak bahan bakar yang harus digunakan untuk menghasilkan energi sehingga bisa menggerakkan roket hingga berkecepatan 11 kilometer/detik.”

Baca Juga:  Matahari adalah Bintang. Gerhana dan Bagaimana Cara Menghitung Usia dan Energi Matahari.

Kita telah menurunkan rumus baru yang dinamakan kecepatan lepas (escape velocity). Kecepatan lepas adalah seberapa cepat sebuah benda harus bergerak untuk keluar dari gaya tarik gravitasi sebuah planet. Rumus ini dipergunakan oleh para astronom untuk menentukan nilai kecepatan sebuah roket agar bisa terlepas dari orbit Bumi.

Oke, mari kita kembali ke definisi lubang hitam, tapi kali ini mari kita definisikan secara teknis. Lubang hitam adalah sebuah medan gravitasi di mana kecepatan lepas benda tersebut sama dengan atau melebihi kecepatan cahaya.

v_{lepas} = \sqrt{\frac{2GM}{r}}
c = \sqrt{\frac{2GM}{r}}

c — kecepatan cahaya (300.000 kilometer/detik)

Dari rumus di atas, ilmuwan bernama Karl Schwarschild menurunkan rumus terkenal yang disebut sebagai radius Schwarschild.

c = \sqrt{\frac{2GM}{r}}
c^2 = \frac{2GM}{r}
r_{Schwarschild} = \frac{2GM}{c^2}

“Untuk mengubah planet Bumi menjadi sebuah lubang hitam, semua massa Bumi harus dimampatkan menjadi sebuah bola yang berradius 9 milimeter.”

Definisi radius Schwarschild adalah nilai radius sebuah geometri yang di mana jika semua massa sebuah benda dimampatkan ke dalam radius tersebut, benda itu akan memiliki kecepatan lepas sama atau lebih besar dari kecepatan cahaya atau singkatnya, lubang hitam.

Referensi:
  1. https://www.nationalgeographic.com/science/space/universe/black-holes/[]
  2. Oldham, L. J.; Auger, M. W. (March 2016). “Galaxy structure from multiple tracers – II. M87 from parsec to megaparsec scales”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society457 (1): 421–439[]