Lubang Hitam, Mana yang Lebih Cepat, Tumbuh atau Menguap?

Massa lubang hitam yang tidak berotasi dan terisolasi adalah satu-satunya faktor penentu radius horizon peristiwa, sebagaimana yang digambarkan oleh simulasi ini.
Tim SXS; Bohn et al 2015

Lubang hitam adalah objek tunggal paling masif di alam semesta. Lebih masif dari Matahari, terkadang jutaan atau bahkan miliaran kali lebih besar. Mereka terbentuk setelah bintang ultramasif runtuh karena gaya gravitasinya sendiri. Apa pun yang melintasi horizon peristiwa ditakdirkan untuk tiba di singularitas sentral dan akan meningkatkan massa lubang hitam. Tapi, berkat kombinasi antara relativitas umum, yang memprediksi massa membengkokkan ruang, dan teori medan kuantum, yang memprediksi perilaku spontan ruang, lubang hitam tidak selamanya stabil dan suatu saat akan meluruh. Mana yang lebih cepat: tumbuh atau luruh? Itulah yang ingin diketahui oleh Steve Fitch, yang bertanya:

"Sangat mengherankan mengapa lubang hitam tumbuh lebih cepat, bukannya menguap karena radiasi [Hawking]. Jika pasangan partikel meletus di mana-mana, termasuk di dalam horizon peristiwa [lubang hitam], dan tidak semua dari mereka dengan segera saling meniadakan satu sama lain, mengapa [lubang hitam] tidak perlahan membengkak karena partikel yang masih bertahan?”

Ada miskonsepsi dari pertanyaan tersebut, namun, mari kita mulai dengan itu.

Visualisasi QCD yang menggambarkan bagaimana pasangan partikel dan antipartikel keluar dari kehampaan kuantum dalam waktu yang sangat cepat sebagai konsekuensi ketidakpastian Heisenberg.Derek B. Leinweber

Radiasi Hawking adalah radiasi yang dilepaskan oleh lubang hitam akibat efek kuantum di dekat horizon peristiwa. Radiasi ini menyandang nama fisikawan Stephen Hawking, yang memprediksi lubang hitam seharusnya memiliki suhu dan entropi yang terbatas dan tidak nol. Menurut prinsip ketidakpastian mekanika kuantum, lubang hitam yang berotasi seharusnya menghasilkan dan mengeluarkan partikel. Radiasi Hawking mengurangi massa dan energi lubang hitam, sehingga lubang hitam yang kehilangan lebih banyak massa daripada akumulasi massa akan mengecil dan akhirnya menghilang.

Prinsip Ketidakpastian Heisenberg menyatakan (hampir) tidak mungkin untuk mengukur dua besaran secara bersamaan, misalnya posisi dan momentum suatu partikel. Prinsip ini dicetuskan oleh ilmuwan Jerman Werner Heisenberg pada tahun 1927.

Ya, ruang hampa adalah tempat yang menarik, meskipun tidak kosong sama sekali! Kita dapat membayangkan untuk menghilangkan semua materi, radiasi, kuanta energi dan kelengkungan ruang dan waktu dari ruang hampa, sampai kita mendapatkan "ketiadaan" di alam semesta. Meskipun dapat dilakukan, titik nol energi ruang hampa tetap tidak bisa menjadi nol. Karena masih ada energi yang akan melekat di ruang itu sendiri. Salah satu cara kita memvisualisasikan bagaimana energi tetap melekat di ruang adalah melalui pasangan partikel dan antipartikel, yang tetap akan selalu muncul.

Dengan visualisasi yang sama, letakkan lubang hitam di tempat tersebut.

Pasangan partikel dan antipartikel akan tetap terus ada, baik di dalam maupun di luar horizon peristiwa. Jika salah satu mereka jatuh ke horizon peristiwa, saat itulah hal yang menarik terjadi. Ulf Leonhardt dari Universitas St. Andrews

Kita akan mendapatkan tiga wilayah ketika pasangan partikel dan antipartikel muncul:

1. Ketika masing-masing pasangan memulai dari luar horizon peristiwa, eksis dan kembali musnah di luar.
2. Ketika masing-masing pasangan memulai dari dalam horizon peristiwa, eksis, dan kembali musnah di dalam.
3. Ketika masing-masing pasangan memulai dari luar horizon peristiwa, tapi salah satu jatuh ke dalam sedangkan yang lain berhasil lolos.

Ya, tampaknya terlalu disederhanakan, tapi inilah salah satu visualisasi paling mudah untuk mendapatkan fitur kualitatif dengan benar, meskipun tidak secara tepat menggambarkan dari mana radiasi Hawking atau spektrum energinya berasal. Faktanya, apa yang kita dapatkan adalah spektrum radiasi objek gelap, kebanyakan berbentuk foton dengan energi sangat rendah terkait dengan ukuran horizon peristiwa lubang hitam, yakni saat lubang hitam yang bermassa lebih kecil memancarkan radiasi lebih cepat.

Radiasi Hawking adalah hasil yang tak terelakkan dari prediksi fisika kuantum di lengkungan ruang dan waktu horizon peristiwa. Diagram ini menunjukkan Radiasi Hawking adalah energi dari luar horizon peristiwa yang menciptakan radiasi, jadi lubang hitam harus kehilangan massa untuk mengimbanginya.
E. Siegel

Yang harus kita pahami, "pasangan" ini sebenarnya tidak ada secara fisik dan hanyalah alat kalkulasi. Pasangan yang muncul di dalam lubang hitam tidak bisa menambah massa lubang hitam itu sendiri, karena total energi di sana sama setiap saat. Lagi pula, energi untuk pasangan partikel dan antipartikel berasal dari ruang di sekitarnya! Tetapi jika ada energi yang berasal dari ruang dan menghasilkan radiasi nyata yang bergerak menjauh dari lubang hitam, maka energi tersebut haruslah berasal dari lubang hitam itu sendiri, yang akan menurunkan massanya. Begitulah prinsip radiasi Hawking dan karena itulah lubang hitam akhirnya akan meluruh.

Horizon peristiwa lubang hitam adalah wilayah berbentuk bulat yang tak satupun benda, termasuk cahaya, yang dapat meloloskan diri. Namun di luar horizon peristiwa, lubang hitam diprediksi akan memancarkan radiasi.
NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

Kita dapat menghitung tingkat rata-rata meluruhnya lubang hitam dan suhu radiasi, dan menemukan bahwa lubang hitam kehilangan massa pada tingkat yang sangat lambat! Untuk lubang hitam dengan massa setara Matahari, suhu radiasi Hawking berada di angka 62 nanoKelvin, dan membutuhkan waktu 10^67 tahun untuk menguap. Untuk lubang hitam yang ada di pusat galaksi kita, radiasinya berada di angka 15 femtokelvin dan membutuhkan waktu 10^87 tahun untuk menguap. Lubang hitam paling besar di alam semesta membutuhkan waktu 10^100 tahun untuk lenyap! Namun di sepanjang waktu yang dibutuhkan agar menguap, masih ada juga materi yang dihisap oleh lubang hitam, seperti yang dimaksud oleh pertanyaan di atas.

Lubang hitam bukanlah objek yang terisolasi di luar angkasa, justru menjadi pusat segala sesuatu, mulai dari pusat material dan energi, pusat sistem bintang, pusat galaksi dan pusat gugus galaksi. Lubang hitam tumbuh melalui akumulasi materi dan energi. Pertumbuhan ini lebih cepat daripada kehilangan energi karena radiasi Hawking.
Kolaborasi Teleskop Luar Angkasa Hubble antara NASA dan ESA

Material dari bintang lain, dari debu kosmis, dari materi antar bintang, awan gas dll,  berkontribusi dalam meningkatkan massa lubang hitam. Peluruhan karena radiasi Hawking lebih rendah daripada materi yang diakumulasi oleh lubang hitam. Tapi ada batasan untuk materi yang bisa diserap.

Seiring waktu, molekul gas berkumpul untuk menjadi bintang yang membara, objek-objek yang runtuh dilontarkan ke media antargalaksi, dan disosiasi gravitasi mendorong objek-objek kosmik terpisah lebih jauh. Dibutuhkan waktu sekitar 10^20 tahun, sepuluh miliar kali lipat daripada umur alam semesta saat ini, agar radiasi Hawking mengungguli akumulasi massa. Begitu terjadi, proses peluruhan lubang hitam akan dimulai. Setiap lubang hitam yang kita ketahui di di alam semesta saat ini memang masih tumbuh, namun ada batasan untuk setiap pertumbuhan. Setelah itu, radiasi Hawking akan mengambil alih.

Seiring penyusutan massa dan radius lubang hitam, radiasi Hawking menjadi lebih besar dalam suhu dan gaya. Setelah tingkat peluruhan melebihi tingkat pertumbuhan, radiasi Hawking akan meningkatkan suhu dan gaya.
NASA

Radiasi Hawking berjalan lambat, tapi akan meningkat seiring waktu, terutama saat massa lubang hitam mulai agak menyusut. Sekali singularitas, akan tetap terus menjadi singularitas yang mempertahankan horizon peristiwa, hingga massanya mencapai nol. Itulah detik terakhir kehidupan lubang hitam. Bagaimanapun juga, pada saat hal itu terjadi, lubang hitam melepaskan energi yang sangat besar. Ketika massa turun dalam angka 228 metrik ton, itulah sinyal sisa satu detik. Ukuran horizon peristiwa pada saat itu akan menjadi 340 yoctometer, atau 3,4×10^-22 meter, hanya seukuran satu panjang gelombang foton dengan energi melampaui setiap partikel yang pernah diproduksi LHC. Tapi pada detik terakhir, total 2,05×10^22 Joule energi, setara dengan lima juta megaton TNT, akan dilepaskan. Seolah-olah satu juta bom fusi nuklir meledak sekaligus di wilayah kecil. Itulah tahap akhir menguapnya lubang hitam.

Dengan latar belakang kegelapan kekal yang tampak abadi, sebuah kilatan cahaya akan muncul dan menandai proses lenyapnya lubang hitam terakhir di alam semesta.
ortega-pictures/pixabay

Peristiwa ini hanya terjadi sangat jauh di masa depan, sehingga kilatan cahaya penguapan lubang hitam merupakan satu-satunya hal yang terlihat di seluruh alam semesta saat benar-benar terjadi. Semua bintang dan sisa bintang telah menjadi gelap gulita sejak lama. Meskipun saat ini tingkat pertumbuhan lubang hitam lebih cepat daripada luruh, status quo tidak akan berlangsung selamanya. Begitu kehabisan materi yang jatuh ke lubang hitam, atau tingkat rata-rata pertumbuhan turun di bawah tingkat rata-rata radiasi Hawking, peluruhan adalah takdir pamungkas yang harus dijalani lubang hitam. Lubang hitam memang akan terus tumbuh selama milyaran tahun sebelum akhirnya luruh, namun, meskipun proses peluruhan dimulai, butuh waktu yang luar biasa lama sebelum mereka benar-benar menghilang.

Radiasi Hawking adalah takdir yang tak terelakkan bagi setiap lubang hitam di alam semesta.

Ditulis oleh: Ethan Siegel, kontributor www.forbes.com

Astrofisika dan penulis Ethan Siegel adalah pendiri dan penulis utama Starts With A Bang! Buku-bukunya, Treknology dan Beyond The Galaxy, tersedia dimanapun buku-buku dijual.

Sumber: Ask Ethan: Do Black Holes Grow Faster Than They Evaporate?

#terimakasihgoogle