Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Singularitas Lubang Hitam Dalam Loop Quantum Gravity

Lubang hitam adalah benda kosmik dengan gravitasi yang sangat kuat sehingga tidak ada benda, materi atau partikel dan bahkan radiasi elektromagnetik seperti cahaya yang dapat melarikan diri dari pengaruh gravitasinya. Lubang hitam merupakan objek astrofisika yang telah lama dikenal dan diamati dengan berbagai cara atau metode penelitian. Di sisi lain, lubang hitam juga merupakan sesuatu yang misterius, - kita dapat melihat sebuah benda atau materi jatuh ke dalamnya, tetapi kita tidak tahu apa yang terjadi pada materi tersebut ketika mencapai pusat lubang hitam.

Batas terluar dari lubang hitam yang tidak memungkinkan adanya jalan keluar bagi objek untuk melarikan diri dari lubang hitam disebut sebagai horizon (cakrawala) peristiwa. Dalam teori relativitas umum, keberadaan massa akan mengubah bentuk ruang-waktu sedemikian rupa (ruang-waktu melengkung) sehingga jalur yang diambil atau yang dilalui oleh suatu materi atau objek, membelok ke arah massa tersebut. Pada horizon peristiwa lubang hitam efek kelengkungan ruang-waktu ini sangat kuat sehingga semua arah lengkungan adalah menuju pusat lubang hitam. Dengan kata lain, setiap objek yang memasuki zona horizon peristiwa akan berakhir di pusat lubang hitam yang dikenal sebagai singularitas

Ilustrasi lubang hitam (corong bagian bawah) terhubung dengan lubang putih (corong bagian atas)
Ilustrasi di atas menunjukkan lubang hitam (corong bawah) menjebak dan menarik segala materi termasuk cahaya menuju pusat gravitasi (singularitas). Selanjutnya apa yang terjebak dalam singularitas tersebut akan berlanjut ke masa depan; semuanya akan dilontarkan melalui lubang putih (corong atas). Kredit gambar: A. Corichi and JP Ruiz.

Setelah berakhir di pusat lubang hitam (singularitas) objek akan hancur total. Pada titik singularitas ini semua hukum fisika yang diketahui menjadi rusak. Bahkan teori relativitas umum Einstein yang meramalkan singularitas itu sendiri ikut rusak dan menjadi tidak berlaku lagi.

Secara umum, dalam ilmu fisika, singularitas ruang-waktu didefinisikan sebagai suatu wilayah/area di pusat gravitasi yang memiliki kerapatan (kepadatan) massa atau materi dan energi yang sangat tinggi (tak terbatas). Kerapatan massa dan energi yang tak terbatas ini mengakibatkan gravitasi di wilayah ini juga menjadi tak terbatas. Fenomena singularitas ini menjadi salah satu misteri dalam ilmu fisika yang sedang diupayakan untuk dipecahkan oleh fisikawan teoretis. Masalah ini menjadi sebuah perdebatan panjang untuk didiskusikan; apakah singularitas itu benar-benar ada? bagaimana bisa ketika pengamatan mencapai singularitas semua hukum-hukum fisika berakhir begitu saja atau menjadi rusak?

Setiap wilayah di dalam lubang hitam memiliki kerapatan (kepadatan) massa dan energi yang tinggi,- terutama di bagian inti (singularitas) yang kerapatan massa-energinya tak berhingga. Dengan demikian hal ini seharusnya menjadi domain kerja dari mekanika kuantum - saat membahas objek fisis berenergi tinggi maka jelas itu adalah domain dari mekanika kuantum. Di sisi lain, teori relativitas umum Einstein (gravitasi Einstein) hanya berlaku atau bekerja pada domain energi rendah, inilah yang menjadi faktor utama mengapa teori relativitas umum Einstein gagal atau tidak berlaku pada singularitas lubang hitam.

Untuk menjelaskan fenomena yang terjadi pada objek dengan kerapatan massa-energi yang sangat ekstrim tersebut, serta bagaimana memprediksi nasib atau masa depan dari objek tersebut maka teori gravitasi (relativitas umum) membutuhkan bantuan mekanika kuantum. Ini adalah salah satu alasan mengapa ilmuwan berupaya untuk menyatukan teori gravitasi (relativitas umum) dan teori kuantum menjadi gravitasi kuantum. Jika berhasil merumuskan teori gravitasi kuantum maka diharapkan misteri dari fenomena singularitas dalam lubang hitam maupun singularitas yang terjadi pada awal mula bigbang dapat dipecahkan.

Satu dari dua kandidat terkuat teori gravitasi kuantum adalah Loop Quantum Gravity (LQG). Dalam LQG, ruang-waktu dikuantisasikan secara ‘harfiah’ seperti halnya kuantisasi yang terjadi pada cahaya dan gelombang partikel yang lain. Jika dalam kasus cahaya, cahaya itu tersusun dari kuanta-kuanta partikel cahaya atau foton, maka dalam LQG ruang-ruang dan waktu tersusun dari kuanta-kuanta (potongan-potongan) ruang dan waktu dalam skala mikroskopik.

Dalam LQG ruang-waktu tersusun dari potongan-potongan ruang-waktu yang sangat kecil,-seperti potongan 'batu bata' yang kecil yang disusun membentuk suatu struktur bangunan yang lebih besar. Perbedaannya, potongan 'batu bata' atau kuanta ruang dalam LQG tidak bisa berukuran bebas atau sembarang, sehingga tidak bersifat kontinu melainkan harus memiliki ukuran tertentu (bersifat diskrit). Setiap ukuran atau nilai panjang, luas dan volume dari ruang kuantum dalam LQG harus bernilai atau berukuran tertentu, yaitu harus berupa kelipatan dari panjang, luas dan volume Planck.

Oleh karena dalam skala kuantum LQG memprediksikan bahwa ruang-waktu tersusun oleh potongan-potongan atau kuanta ruang yang sangat kecil serta kuanta waktu, maka dalam LQG tidak dikenal lagi yang namanya singularitas. Alih-alih singularitas yang tak berhingga, aturan kuantum dalam LQG mengatakan bahwa dalam wilayah yang oleh relativitas umum disebut sebagai singularitas sebenarnya merupakan wilayah yang memiliki begitu banyak ruang dan waktu dalam skala yang sangat kecil. Dengan kata lain, wilayah ruang-waktu kontinu (berkesinambungan) yang kita kenal sehari-hari, saat memasuki lubang hitam akan berubah atau berkembang ke (menjadi) wilayah ruang-waktu yang lain, - ruang-waktu yang bersifat diskrit yang tersusun dari begitu banyak kuanta atau potongan-potongan ruang-waktu.

Seiring berjalannya waktu, penelitian teoritis Loop Quantum Gravity terus dikembangkan untuk mengkaji masa depan dari lubang hitam - memprediksi apa yang akan terjadi pada lubang hitam di kemudian hari serta akhir hidup dari lubang hitam. Pada tahun 2018 yang lalu sebuah penelitian teoritis yang dilakukan oleh sebuah grup penelitian yang dipimpin Abhay Ashtekar (salah satu pendiri teori LQG) bersama Javier Olmedo dan Parampreet Singh menunjukkan bahwa LQG memprediksikan bahwa dalam singularitas evolusi ruang-waktu akan berlanjut melintasi pusat lubang hitam untuk mencapai wilayah baru di masa depan. Dengan kata lain kuantum ruang 'yang banyak' dalam singularitas itu ketika berevolusi hingga sampai pada 'satu waktu' akan mengalami transisi geometri yang sifatnya berkebalikan dengan sebelum terjadinya transisi.

Sebelum penelitian Ashtekar, dkk di tahun 2018, sudah ada sejumlah kelompok penelitian yang telah menerapkan teori LQG untuk mengeksplorasi evolusi lubang hitam. Beberapa upaya tersebut jika dikaitkan dengan apa yang ditunjukkan oleh Ashtekar, dkk pada 2018 lalu bahwa LQG memprediksi di dalam singularitas lubang hitam akan mengalami transisi geometri, maka hasil transisi tersebut dapat mengarah ke terbentuknya geometri lubang putih (white hole).

Di pusat lubang hitam, ruang dan waktu tidak berakhir dalam singularitas, tetapi berlanjut melintasi wilayah transisi yang pendek di mana persamaan Einstein dilanggar oleh efek kuantum. Dari wilayah ini, ruang dan waktu muncul dengan struktur interior lubang putih. Saat pusat lubang hitam berevolusi, maka permukaan luarnya (horizon peristiwa) perlahan-lahan akan menyusut. Hal ini dikarenakan horizon peristiwa dari lubang hitam akan terus menerus memancarkan radiasi yang disebut dengan radiasi Hawking. Akibat dari pancaran radiasi Hawking yang terus menerus ini, maka horizon peristiwa dari lubang hitam akan menyusut. Penyusutan ini berlanjut hingga horizon ini mencapai ukuran yang sangat kecil yaitu berada dalam ukuran (skala) Planck.

Diagram transisi kuantum; black hole to white hole

Saat cakrawala atau horizon lubang hitam ini menyusut mencapai ukuran Planck maka akan terjadi transisi kuantum yang kemudian mengubahnya menjadi horizon peristiwa lubang putih (white hole). Selanjutnya, oleh persamaan geometri relativistik yang terdistorsi, interior lubang putih yang lahir di pusat kerapatan (pusat gravitasi) akan bergabung dengan horizon peristiwa dari lubang putih sehingga akan melengkapi pembentukan lubang putih.

Fenomena peralihan dari lubang hitam ke lubang putih ini dapat dianalogikan dengan pantulan bola. Sebuah bola yang jatuh ke lantai (ke arah bawah) akan memantul dan kemudian bergerak ke arah atas. Gerakan ke arah atas setelah memantul adalah versi gerakan jatuh dari bola tapi dengan arah waktu yang terbalik. Demikian pula, lubang hitam "memantul" dan muncul sebagai versi baru dengan arah waktu yang dibalik yang disebut sebagai lubang putih.

Objek yang runtuh menjadi lubang hitam materinya tidak menghilang di pusat keruntuhan gravitasi, tetapi ‘memantul’ atau dilontarkan melalui lubang putih. Energi dan informasi yang jatuh dan lenyap ke lubang hitam akan muncul dari lubang putih. Apa yang Ashtekar, Olmedo, dan Singh kerjakan, menunjukkan bahwa dalam evolusi yang terjadi pada lubang hitam akan berlanjut pada transisi di pusat gravitasi. Transisi kuantum ini akan mengakibatkan interior lubang hitam akan berevolusi atau berlanjut ke lubang putih. Meskipun demikian transisi kuantum black hole to white hole ini masih hanya sebatas prediksi dan belum bisa dianggap sebagai kebenaran ilmiah.

Sampai sekarang kita belum mengetahui, menemukan dan memahami teori gravitasi kuantum yang sebenarnya. Ada begitu banyak usaha dan teori kandidat sebagai teori gravitasi kuantum yang belum bisa diuji dan dibuktikan secara eksperimental, karena kita dibatasi oleh instrumen dan kesulitan-kesulitan yang lain. Itu berarti apa yang terjadi pada singularitas lubang hitam, yang untuk menjelaskannya membutuhkan kerjasama yang baik antara teori relativitas umum dan mekanika kuantum masih tetap sebagai misteri alam semesta. Kita hanya bisa memprediksi menggunakan teori-teori terbaik yang ada saat ini. Namun kita tidak bisa memastikan hasil prediksi tersebut sebagai sebuah kebenaran ilmiah.

Sehebat apapun sebuah teori hanya akan bernilai dan diterima sebagai kebenaran jika bisa dibuktikan secara eksperimental. Kita hanya akan bisa memahami fenomena apa yang sebenarnya terjadi dalam [singularitas] lubang hitam jika kita sudah mendapatkan atau menemukan teori gravitasi kuantum yang valid yang sudah terbukti secara eksperimen. Atau sebaliknya, saat kita bisa menjelaskan dan memahami apa yang sebenarnya terjadi dalam singularitas lubang hitam maka pada saat itulah kita bisa memahami apa itu gravitasi kuantum yang sebenarnya.

Daftar Pustaka:

[1]. A. Ashtekar, J. Olmedo, and P. Singh, “Quantum transfiguration of Kruskal black holes,” Phys. Rev. Lett. 121, 241301 (2018).

[2]. A. Ashtekar, J. Olmedo, and P. Singh,“Quantum extension of the Kruskal spacetime,” Phys. Rev. D 98, 126003 (2018).

[3]. C. Rovelli and F. Vidotto, “Small black/white hole stability and dark matter,” Universe 4, 127 (2018).

[4]. C. Rovelli, “Black Hole Evolution Traced Out with Loop Quantum Gravity,” physics.aps.org (2018).

[5]. E. Bianchi, M. Christodoulou, F. D’Ambrosio, H. M. Haggard, and C. Rovelli, “White holes as remnants: A surprising scenario for the end of a black hole,” Class. Quant. Grav. 35, 225003 (2018).

[6]. L. Modesto, “Black hole interior from loop quantum gravity, ” Adv. High Energy Phys. 2008, 459290 (2008).

[7]. H. M. Haggard and C. Rovelli, “Quantum-gravity effects outside the horizon spark black to white hole tunneling,” Phys. Rev. D 92, 104020 (2015).

[8]. A. Barrau, K. Martineau, and F. Moulin, “Status report on the phenomenology of black holes in loop quantum gravity: Evaporation, tunneling to white holes, dark matter and gravitational waves,” Universe 4, 102 (2018).

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013