Komposisi Lubang Hitam

Ketika Anda mendengar ungkapan "lubang hitam", hampir pasti membangkitkan rasa misteri dan keajaiban, mungkin diwarnai dengan unsur bahaya. Sementara istilah "lubang hitam" telah menjadi sinonim dalam bahasa sehari-hari dengan "tempat sesuatu pergi, tidak pernah terlihat lagi," kebanyakan orang akrab dengan penggunaannya di dunia astronomi, jika belum tentu dengan fitur yang tepat dan precise definisi.

Selama beberapa dekade, di antara pengulangan paling umum yang menyimpulkan lubang hitam adalah "tempat di mana gravitasi begitu kuat, bahkan tidak cahaya bisa lolos." Meskipun ini adalah ringkasan yang cukup akurat untuk memulai, wajar untuk bertanya-tanya bagaimana hal seperti itu bisa terjadi. dengan.

Pertanyaan lain berlimpah. Apa yang ada di dalam lubang hitam? Apakah ada berbagai jenis lubang hitam? Dan apa ukuran lubang hitam yang khas, dengan asumsi hal seperti itu ada dan dapat diukur? Peluncuran Teleskop Hubble merevolusi bagaimana lubang hitam dapat dipelajari.

Sebelum masuk jauh ke topik lubang hitam – dan permainan kata-kata buruk – ada baiknya untuk membahas terminologi dasar yang digunakan untuk mendefinisikan properti dan geometri lubang hitam.

Terutama, setiap lubang hitam memiliki pusat efektifnya, akeganjilan, yang terdiri dari materi yang sangat padat sehingga hampir menjadi massa titik. Kepadatan yang dihasilkan sangat besar menghasilkan medan gravitasi yang begitu kuat sehingga sampai jarak tertentu, bahkan foton, yang merupakan "partikel" cahaya, tidak dapat lepas. Jarak ini dikenal sebagairadius Schwarzchildz; dalam lubang hitam yang tidak berputar (dan Anda akan mempelajari tentang tipe yang lebih dinamis di bagian selanjutnya), bola tak kasat mata dengan radius ini dengan singularitas di pusatnya membentukcakrawala peristiwa​.

Tentu saja, semua ini tidak menjelaskan dari mana sebenarnya lubang hitam itu berasal. Apakah mereka muncul secara spontan dan di tempat-tempat acak di seluruh kosmos? Jika demikian, apakah ada prediktabilitas untuk penampilan mereka? Mempertimbangkan kekuatan kebanggaan mereka, akan berguna untuk mengetahui apakah lubang hitam mungkin berencana untuk mendirikan toko di sekitar tata surya Bumi.

Keberadaan lubang hitam pertama kali diusulkan pada 1700-an, tetapi para ilmuwan saat itu tidak memiliki instrumen yang diperlukan untuk mengkonfirmasi apa pun yang telah mereka usulkan. Pada awal 1900-an, astronom Jerman Karl Schwarzchild (ya, yang itu) menggunakan teori umum Einstein relativitas untuk menetapkan perilaku lubang hitam yang paling menonjol secara fisik – kemampuan mereka untuk "menjebak" cahaya.

Secara teori, berdasarkan karya Schwarzchild, massa apa pun dapat berfungsi sebagai dasar lubang hitam. Satu-satunya persyaratan adalah radiusnya setelah dikompresi tidak melebihi radius Schwarzchild-nya.

Keberadaan lubang hitam telah menghadirkan teka-teki bagi fisikawan, meskipun menarik untuk dicoba dipecahkan. Dipercaya bahwa berkat kelengkungan ruang-waktu yang dihasilkan dari gaya gravitasi luar biasa di sekitar lubang hitam, hukum fisika pada dasarnya rusak; karena cakrawala peristiwa tidak dapat diakses dari analisis manusia, konflik ini sebenarnya bukan konflik bagi ahli astrofisika.

Jika orang menganggap ukuran lubang hitam sebagai bola yang dibentuk oleh cakrawala peristiwa, kepadatannya jauh berbeda dibandingkan jika hitam lubang diperlakukan sebagai gantinya hanya sebagai bintang runtuh yang sangat kecil dengan massa yang membentuk singularitas (lebih lanjut tentang ini di a in saat).

Para ilmuwan percaya bahwa lubang hitam bisa sekecil atom tertentu, namun memiliki massa sebanyak gunung di Bumi. Di sisi lain, beberapa bisa sekitar 15 kali lebih besar dari matahari saat masih kecil (tetapi tidak berukuran atom). Inilubang hitam bintangditemukan di seluruh galaksi, termasuk Bima Sakti, tempat Bumi dan tata surya berada.

Lubang hitam lainnya masih bisa jauh, jauh lebih besar. Inilubang hitam supermasifbisa lebih dari satu juta kali lebih besar dari matahari, dan setiap galaksi diyakini memiliki satu di pusatnya. Yang berada di pusat Bima Sakti, dijulukiSagitarius A, cukup besar untuk menampung beberapa juta Bumi, tetapi volume ini tidak berarti jika dibandingkan dengan massa objek – diperkirakan sebesar 4 juta matahari.

Bukannya terbentuk dan muncul secara tak terduga, sebuah ancaman yang diisyaratkan dengan ringan sebelumnya, lubang hitam diyakini terbentuk pada saat yang sama dengan objek yang lebih besar di mana mereka tinggal." Beberapa lubang hitam kecil diyakini telah terbentuk pada saat yang sama kosmos itu sendiri muncul, pada saat Big Bang hampir 14 miliar tahun. lalu.

Sejalan dengan itu, lubang hitam supermasif di dalam masing-masing galaksi terbentuk pada saat galaksi-galaksi tersebut bergabung menjadi ada dari materi antarbintang. Lubang hitam lainnya terbentuk sebagai akibat dari peristiwa kekerasan yang disebut asupernova​.

Supernova adalah kematian bintang yang meledak-ledak, atau "traumatik", berbeda dengan bintang yang terbakar seperti bara api raksasa. Peristiwa seperti itu terjadi ketika sebuah bintang telah menghabiskan begitu banyak bahan bakarnya sehingga ia mulai runtuh di bawah massanya sendiri. Ledakan ini menghasilkan ledakan pantulan yang membuang sebagian besar sisa bintang, meninggalkan singularitas di tempatnya.

Salah satu masalah yang disebutkan di atas bagi fisikawan adalah bahwa kerapatan bagian lubang hitam dianggap sebagai singularitas tidak dapat dihitung sebagai apa pun selain tak terbatas, karena tidak pasti seberapa kecil massa sebenarnya (misalnya, seberapa kecil volumenya menempati). Untuk menghitung kepadatan lubang hitam secara bermakna, radius Schwarzchild-nya harus digunakan.

Lubang hitam bermassa Bumi memiliki kerapatan teoretis sekitar 2 × 10²⁷ g/cm³ (untuk referensi, massa jenis air hanya 1 g/cm³). Besaran seperti itu praktis tidak mungkin untuk dimasukkan ke dalam konteks kehidupan sehari-hari, tetapi hasil kosmiknya dapat diprediksi unik. Untuk menghitungnya, Anda membagi massa dengan volume setelah "mengoreksi" jari-jari menggunakan massa relatif lubang hitam dan matahari, seperti yang ditunjukkan pada contoh berikut.

​Contoh masalah:Sebuah lubang hitam memiliki massa sekitar 3,9 juta (3,9 × 10 .)⁶) matahari, dengan massa matahari 1,99 × 10³³ gram, dan diasumsikan sebagai bola dengan jari-jari Schwarzchild 3 × 10⁵ cm. Berapa kerapatannya?

Pertama, temukanradius efektif bola yang membentuk horizon peristiwadengan mengalikan jari-jari Schwarzchild dengan rasio massa lubang hitam dengan matahari, diberikan sebagai 3,9 juta:

Kemudian hitung volume bola yang didapat dari rumus V = (4/3)πr³:

Akhirnya, bagi massa bola dengan volume ini untuk mendapatkan kerapatan. Karena Anda diberi massa matahari dan fakta bahwa massa lubang hitam adalah 3,9 juta kali lebih besar, Anda dapat menghitung massa ini sebagai (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Oleh karena itu kepadatannya adalah:

Para astronom telah menghasilkan sistem klasifikasi yang berbeda untuk lubang hitam, satu berdasarkan massa saja dan yang lainnya berdasarkan muatan dan rotasi. Seperti disebutkan secara sepintas di atas, sebagian besar (jika tidak semua) lubang hitam berotasi pada porosnya, seperti Bumi itu sendiri.

Mengklasifikasikan lubang hitam berdasarkan massa menghasilkan sistem berikut:

• ​Lubang hitam purba:Ini memiliki massa yang mirip dengan Bumi. Ini murni hipotetis dan mungkin terbentuk melalui gangguan gravitasi regional segera setelah Big Bang.
• ​Lubang hitam massa bintang:Disebutkan sebelumnya, ini memiliki massa antara sekitar 4 dan 15 massa matahari dan hasil dari keruntuhan "tradisional" dari bintang yang lebih besar dari rata-rata pada akhir masa hidupnya.
• ​Lubang hitam massa menengah:Belum dikonfirmasi pada 2019, lubang hitam ini – sekitar beberapa ribu kali lebih besar dari matahari – mungkin ada di beberapa gugus bintang, dan juga nantinya bisa berkembang menjadi lubang hitam supermasif.
• ​Lubang hitam supermasif:Juga disebutkan sebelumnya, ini membanggakan antara satu juta hingga satu miliar massa matahari dan ditemukan di pusat galaksi besar.

Dalam skema alternatif, lubang hitam dapat dikategorikan menurut rotasi dan muatannya sebagai gantinya:

• ​Lubang hitam Schwarzschild:Juga dikenal sebagailubang hitam statis, lubang hitam jenis ini tidak berputar dan tidak bermuatan listrik. Oleh karena itu dicirikan oleh massanya saja.
• ​Lubang hitam kerr:Ini adalah lubang hitam yang berputar, tetapi seperti lubang hitam Schwarzschild, ia tidak memiliki muatan listrik.
• ​Lubang hitam bermuatan:Ini datang dalam dua varietas. Sebuah dibebankan,tidak berputarlubang hitam dikenal sebagaiLubang hitam Reissner-Nordstrom, sementara dibebankan,berputarlubang hitam disebutLubang hitam Kerr-Newman​.

Anda akan benar jika mulai bertanya-tanya bagaimana para ilmuwan telah menarik begitu banyak kesimpulan yakin tentang objek yang menurut definisi tidak dapat divisualisasikan. Banyak pengetahuan tentang lubang hitam telah disimpulkan oleh perilaku dan penampilan objek yang relatif dekat. Ketika lubang hitam dan bintang cukup berdekatan, jenis radiasi elektromagnetik berenergi tinggi khusus dihasilkan dan dapat memberi petunjuk kepada para astronom.

Semburan gas besar terkadang terlihat memproyeksikan dari "ujung" lubang hitam; kadang-kadang, gas ini dapat bergabung menjadi bentuk lingkaran samar yang dikenal sebagaidisk akresi. Lebih lanjut berteori bahwa lubang hitam memancarkan sejenis radiasi yang disebut, dengan tepat,radiasi lubang hitam(atauRadiasi Hawking). Radiasi ini dapat lolos dari lubang hitam karena pembentukan pasangan "materi-antimateri" (misalnya,elektrondanpositron) tepat di luar cakrawala peristiwa, dan emisi berikutnya hanya anggota positif dari pasangan ini sebagai radiasi termal.

Sebelum peluncuranTeleskop Luar Angkasa Hubblepada tahun 1990, para astronom telah lama bingung dengan objek yang sangat jauh yang mereka beri namaquasar, kompresi "objek kuasi-bintang." Seperti lubang hitam supermasif, yang keberadaannya ditemukan kemudian, benda-benda berenergi tinggi yang berputar cepat ini ditemukan di pusat-pusat galaksi. Lubang hitam sekarang dianggap sebagai entitas yang mendorong perilaku quasar, yang hanya ditemukan dalam jarak yang sangat jauh karena mereka ada pada masa awal kosmos; cahaya mereka baru saja mencapai Bumi setelah sekitar 13 miliar tahun dalam perjalanan.

Beberapa ahli astrofisika telah mengusulkan bahwa galaksi-galaksi yang tampak sebagai tipe dasar yang berbeda bila dilihat dari Bumi mungkin sebenarnya adalah tipe yang sama, tetapi dengan sisi yang berbeda dari mereka disajikan ke arah Bumi. Terkadang, energi quasar terlihat dan memberikan semacam efek "mercusuar" dalam hal bagaimana Bumi instrumen merekam aktivitas quasar, sedangkan di lain waktu galaksi tampak lebih "tenang" karena orientasi.