Teori Stephen Hawking yang Terkenal tentang Lubang Hitam Dikonfirmasi, Ini Kata Peneliti

Salah satu teorema Stephen Hawking yang paling terkenal telah terbukti benar, menggunakan riak dalam ruang-waktu yang disebabkan oleh penggabungan dua lubang hitam yang jauh.

Teorema area lubang hitam, yang diturunkan Hawking pada tahun 1971 dari teori relativitas umum Einstein, menyatakan bahwa tidak mungkin luas permukaan lubang hitam berkurang seiring waktu.

Baca Juga: Hasil Studi Ini Hapus Harapan Umat Manusia buat Hidup di Venus, Ini Alasannya

Aturan ini menarik bagi fisikawan karena terkait erat dengan aturan lain yang tampaknya mengatur waktu untuk berjalan dalam arah tertentu, yaitu hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi, atau ketidakteraturan, dari sistem tertutup harus selalu meningkat. Karena entropi lubang hitam sebanding dengan luas permukaannya, keduanya harus selalu meningkat.

Menurut studi baru, konfirmasi para peneliti tentang hukum area tampaknya menyiratkan bahwa sifat-sifat lubang hitam adalah petunjuk penting bagi hukum tersembunyi yang mengatur alam semesta.

Anehnya, hukum area itu tampaknya bertentangan dengan teorema lain yang telah terbukti oleh fisikawan terkenal. Itu disebutkan bahwa lubang hitam harus menguap dalam skala waktu yang sangat lama, jadi mencari tahu sumber kontradiksi antara kedua teori tersebut dapat mengungkapkan fisika baru.

"Luas permukaan lubang hitam tidak dapat dikurangi, yang seperti hukum kedua termodinamika. Ia juga memiliki kekekalan massa, karena Anda tidak dapat mengurangi massanya, jadi itu analog dengan kekekalan energi," penulis utama Maximiliano Isi, seorang astrofisikawan di Massachusetts Institute of Technology, mengatakan kepada Live Science, Jumat (2/7/2021).

"Awalnya orang-orang seperti 'Wow, itu paralel yang keren,' tapi kami segera menyadari bahwa ini fundamental. Lubang hitam memiliki entropi, dan itu sebanding dengan area mereka. Ini bukan hanya kebetulan yang lucu, ini adalah fakta mendalam tentang dunia. yang mereka ungkapkan," papar Maximiliano.

Area permukaan lubang hitam ditentukan oleh batas bola yang dikenal sebagai cakrawala peristiwa —di luar titik ini, tidak ada apa pun, bahkan cahaya, yang dapat lolos dari tarikan gravitasinya yang kuat.

Menurut interpretasi Hawking tentang relativitas umum, ketika luas permukaan lubang hitam bertambah seiring dengan massanya, dan karena tidak ada benda yang dilemparkan ke dalam yang dapat keluar, luas permukaannya tidak dapat berkurang.

Tetapi luas permukaan lubang hitam juga menyusut semakin banyak ia berputar, jadi para peneliti bertanya-tanya apakah mungkin untuk melempar benda ke dalam cukup keras untuk membuat lubang hitam itu berputar cukup untuk mengurangi luasnya.

"Anda akan membuatnya berputar lebih banyak, tetapi tidak cukup untuk mengimbangi massa yang baru saja Anda tambahkan," kata Maximiliano. "Apa pun yang Anda lakukan, massa dan putaran akan membuat Anda mendapatkan area yang lebih besar."

Untuk menguji teori ini, para peneliti menganalisis gelombang gravitasi, atau riak dalam struktur ruang-waktu, yang diciptakan 1,3 miliar tahun lalu oleh dua lubang hitam raksasa saat mereka berputar ke arah satu sama lain dengan kecepatan tinggi.

Ini adalah gelombang pertama yang pernah terdeteksi pada tahun 2015 oleh Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), sinar laser yang terbelah menjadi dua jalur sepanjang 2.485 mil (4 kilometer), dan mampu mendeteksi distorsi sekecil apa pun dalam ruang-waktu dengan mengubah panjang jalurnya.

Dengan membagi sinyal menjadi dua bagian –sebelum dan setelah lubang hitam bergabung– para peneliti menghitung massa dan putaran dari dua lubang hitam asli dan yang baru digabungkan. Angka-angka ini, pada gilirannya, memungkinkan mereka untuk menghitung luas permukaan setiap lubang hitam sebelum dan sesudah tumbukan.

"Saat mereka berputar satu sama lain lebih cepat dan lebih cepat, gelombang gravitasi meningkat dalam amplitudo lebih dan lebih sampai mereka akhirnya jatuh satu sama lain - membuat ledakan besar gelombang ini," kata Maximiliano.

"Yang tersisa dari Anda adalah lubang hitam baru yang berada dalam keadaan tereksitasi ini, yang kemudian dapat Anda pelajari dengan menganalisis bagaimana getarannya. Ini seperti jika Anda membunyikan bel, nada dan durasi spesifik yang dibunyikannya akan memberi tahu Anda strukturnya dari bel itu, dan juga terbuat dari apa," ungkap peneliti Massachusetts Institute of Technology.

Luas permukaan lubang hitam yang baru dibuat lebih besar dari dua gabungan awal, membenarkan hukum luas Hawking dengan tingkat kepercayaan lebih dari 95%.

Menurut para peneliti, hasil mereka cukup sesuai dengan apa yang mereka harapkan. Teori relativitas umum —dari mana hukum area berasal— melakukan pekerjaan yang sangat efektif untuk menggambarkan lubang hitam dan objek skala besar lainnya.

Namun, misteri sebenarnya dimulai ketika kita mencoba mengintegrasikan relativitas umum —aturan benda-benda besar— ??dengan mekanika kuantum —aturan-aturan yang sangat kecil. Peristiwa aneh mulai terjadi, mendatangkan malapetaka pada semua aturan keras dan cepat kami, dan melanggar hukum area sepenuhnya.

Ini karena lubang hitam tidak bisa menyusut menurut relativitas umum, tetapi bisa menurut mekanika kuantum. Fisikawan Inggris ikonik di balik hukum luas permukaan juga mengembangkan konsep yang dikenal sebagai radiasi Hawking --di mana kabut partikel dipancarkan di tepi lubang hitam melalui efek kuantum yang aneh.

Fenomena ini menyebabkan lubang hitam menyusut dan, akhirnya, selama periode waktu beberapa kali lebih lama dari usia alam semesta, menguap. Penguapan ini mungkin terjadi dalam rentang waktu yang cukup lama untuk tidak melanggar hukum luas dalam jangka pendek, tetapi itu adalah penghiburan kecil bagi fisikawan.

"Secara statistik, dalam jangka waktu yang lama, hukum dilanggar. Ini seperti air mendidih, Anda mendapatkan uap yang menguap dari panci Anda, tetapi jika Anda hanya membatasi diri untuk melihat air yang menghilang di dalamnya, Anda mungkin tergoda untuk mengatakan entropi panci menurun. Tetapi jika Anda mengambil uap juga diperhitungkan, entropi keseluruhan Anda telah meningkat. Sama halnya dengan lubang hitam dan radiasi Hawking," kata Maximiliano. 

Dengan hukum area yang ditetapkan untuk jangka waktu pendek hingga menengah, langkah selanjutnya para peneliti adalah menganalisis data yang diperoleh dari lebih banyak gelombang gravitasi untuk wawasan lebih dalam yang dapat diperoleh dari lubang hitam.

"Saya terobsesi dengan benda-benda ini karena betapa paradoksnya mereka. Mereka sangat misterius dan membingungkan, namun pada saat yang sama kita tahu mereka sebagai benda paling sederhana yang ada," ungkap astrofisikawan itu.

"Ini, serta fakta bahwa mereka adalah tempat gravitasi bertemu mekanika kuantum, menjadikannya taman bermain yang sempurna untuk pemahaman kita tentang apa itu realitas," tambah dia.

Para peneliti menerbitkan temuan mereka 26 Mei di Journal Physical Review Letters.