Lubang hitam bisa berputar karena materi yang membentuknya memiliki momentum sudut. Saat bintang masif runtuh, rotasi intinya tidak hilang; sebagian besar putaran itu tersimpan dalam lubang hitam yang lahir. Ruang di sekitar lubang hitam ikut terpilin, dan horizon peristiwanya tidak bulat sempurna.
Lubang hitam yang kita amati hampir semuanya berputar, dari yang lambat hingga yang nyaris mencapai batas maksimum yang diizinkan fisika.
Apa arti ‘berputar’ bagi lubang hitam?
Lubang hitam tidak punya permukaan padat yang bisa berputar seperti gasing. Yang berputar adalah ruang-waktu di sekitarnya. Dalam solusi Kerr dari persamaan Einstein, lubang hitam bermassa M dan momentum sudut J menarik ruang di sekelilingnya mengikuti arah rotasi. Fenomena ini disebut frame dragging atau Lense-Thirring effect.
Bayangkan kamu berdiri di dekat lubang hitam yang berputar. Meski kamu berusaha diam relatif terhadap bintang jauh, ruang di sekitarmu tetap terseret. Semakin dekat ke horizon, semakin kuat tarikan itu. Di sekitar lubang hitam yang berputar cepat ada wilayah bernama ergosfer, tempat kamu tidak bisa lagi mempertahankan posisi diam terhadap alam semesta luar.
Dari mana putaran itu berasal?
Momentum sudut dimiliki semua benda yang berotasi. Bintang masif umumnya berputar, meski pelan. Saat intinya runtuh menjadi lubang hitam, jari-jarinya menyusut drastis sementara momentum sudutnya kekal. Karena momentum sudut sebanding dengan massa kali jari-jari kuadrat kali kecepatan sudut, penyusutan jari-jari membuat kecepatan sudut melonjak.
Lubang hitam juga bisa menambah putaran dengan menelan materi dari cakram akresi. Materi yang berputar mengelilingi lubang hitam membawa momentum sudut, dan sebagian momentum itu diserahkan ke lubang hitam saat materi masuk. Proses ini mirip air yang berputar di wastafel dan menyeret apa pun yang mendekati lubang pembuangan.
Batas Kerr: seberapa cepat lubang hitam boleh berputar?
Fisika memberi batas. Untuk lubang hitam dengan massa tertentu, ada nilai momentum sudut maksimum. Jika melebihi batas itu, horizon peristiwa akan hilang dan yang tersisa adalah singularitas telanjang, sesuatu yang belum pernah teramati dan diperkirakan tidak stabil. Parameter spin tak berdimensi, biasanya dilambangkan a*, berkisar dari 0 (tidak berputar) hingga 1 (batas maksimum).
Lubang hitam dengan spin mendekati 1 memiliki horizon yang sangat tipis dan ergosfer yang lebar. Lubang hitam supermasif di pusat galaksi diperkirakan memiliki spin antara 0,5 dan 0,99, meski pengukurannya tidak mudah dan bergantung pada metode observasi.
Bagaimana ilmuwan mengukur putaran lubang hitam?
Lubang hitam tidak bisa diamati secara langsung. Yang diamati adalah radiasi dari materi di sekitarnya. Ada beberapa cara mengukur spin:
- Spektrum sinar-X dari cakram akresi. Materi yang berputar cepat memancarkan sinar-X dengan profil tertentu. Lebar dan bentuk garis besi (Fe Kα) di spektrum memberi petunjuk tentang seberapa dekat materi mengorbit horizon, yang bergantung pada spin.
- Variabilitas sinar-X. Pola kedipan sinar-X dari cakram dalam (inner accretion disk) bisa mengungkap radius orbit stabil terakhir (ISCO). Lubang hitam yang berputar cepat memiliki ISCO yang lebih dekat ke horizon, sehingga periode orbitnya lebih pendek.
- Jet relativistik. Lubang hitam yang berputar cepat dapat meluncurkan jet partikel bermuatan yang sangat energik melalui mekanisme Blandford-Znajek, yaitu ekstraksi energi rotasi dari medan magnet di sekitar horizon.
- Gelombang gravitasi. Penggabungan lubang hitam memancarkan gelombang gravitasi yang frekuensinya bergantung pada massa dan spin. Detektor seperti LIGO dan Virgo dapat membaca parameter spin dari sinyal tersebut.
Setiap metode punya ketidakpastian. Hasil pengukuran spin dari spektrum sinar-X dan gelombang gravitasi kadang tidak sepenuhnya cocok, dan para astronom masih memperdebatkan sumber perbedaan itu. Data yang ada menunjukkan bahwa lubang hitam memang berputar.
Efek putaran pada lingkungan sekitar
Spin tidak hanya soal angka. Lubang hitam yang berputar cepat menyeret ruang-waktu di sekitarnya dan memengaruhi orbit bintang serta gas di dekatnya. Di pusat galaksi, bintang-bintang yang mengorbit lubang hitam supermasif dapat mengalami presesi akibat frame dragging. Pengamatan gerak bintang di sekitar Sagittarius A* selama beberapa dekade terakhir konsisten dengan efek ini, meski kontribusinya kecil dibandingkan gravitasi Newtonian.
Putaran juga memengaruhi efisiensi konversi massa menjadi energi. Lubang hitam yang tidak berputar mengubah sekitar 6% massa materi yang jatuh menjadi radiasi. Lubang hitam yang berputar cepat bisa mencapai sekitar 42% dalam kondisi ekstrem, menjadikannya mesin paling efisien di alam semesta.
Penjelasan tentang fisika di balik horizon peristiwa membahas lebih dalam batas tempat informasi lenyap. Bagi yang penasaran bagaimana citra lubang hitam diperoleh, artikel tentang cara kerja Teleskop Event Horizon bisa jadi bacaan lanjutan.
Mitos dan salah paham soal lubang hitam berputar
Ada anggapan bahwa lubang hitam yang berputar akan melemparkan materi keluar karena gaya sentrifugal. Gravitasi lubang hitam tetap mendominasi. Yang berubah adalah bentuk ruang di sekitarnya, bukan adanya gaya tolak. Materi tetap bisa jatuh ke dalam, tetapi jalurnya berbeda dari lubang hitam yang diam.
Anggapan lain: lubang hitam berputar karena materi yang jatuh ke dalamnya berputar. Sebagian benar, tetapi putaran awal sudah ada sejak lubang hitam terbentuk. Materi yang jatuh kemudian bisa menambah atau bahkan mengurangi putaran, tergantung arah momentum sudutnya.
Ada juga yang mengira semua lubang hitam berputar sangat cepat. Kenyataannya, spin bervariasi. Lubang hitam yang lahir dari bintang yang berotasi lambat atau yang tidak menelan banyak materi mungkin memiliki spin rendah.
Cara mengamati spin dengan teleskop
Untuk mengukur spin, astronom menggunakan teleskop sinar-X seperti Chandra dan XMM-Newton, serta detektor gelombang gravitasi. Observasi sinar-X memerlukan waktu eksposur panjang karena sinyal dari cakram akresi lemah dan mudah terganggu oleh emisi latar belakang. Model teoretis untuk menafsirkan spektrum sinar-X juga cukup rumit dan bergantung pada asumsi tentang komposisi serta geometri cakram.
Gelombang gravitasi menawarkan cara langsung mengukur spin dari fase inspirasi dan merger. Namun, detektor gelombang gravitasi saat ini hanya sensitif pada frekuensi tertentu, sehingga hanya menangkap penggabungan lubang hitam bermassa bintang. Untuk lubang hitam supermasif, pengukuran spin masih mengandalkan sinar-X dan pengamatan gerak bintang.
Pengamatan bintang di sekitar lubang hitam juga bisa memberi petunjuk tidak langsung. Dengan melacak orbit bintang selama bertahun-tahun, astronom dapat menyimpulkan distribusi massa dan spin lubang hitam. Teknik ini telah digunakan untuk Sagittarius A* dan menghasilkan batas atas spin yang cukup longgar.
Bagi pembaca yang tertarik dengan navigasi langit, partner kami punya panduan tentang cara menentukan arah utara dengan bintang yang bisa memperkaya pemahaman tentang orientasi di langit malam.
Ringkasan
Lubang hitam berputar karena menyimpan momentum sudut dari materi asalnya dan dari materi yang ditelannya. Putaran itu memengaruhi bentuk horizon, menyeret ruang-waktu di sekitarnya, dan meningkatkan efisiensi pelepasan energi. Meskipun batas maksimumnya jelas, pengukuran spin di alam semesta masih menjadi tantangan observasi.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apakah semua lubang hitam berputar?
Hampir semua lubang hitam yang kita amati diperkirakan berputar, tetapi tidak semuanya berputar cepat. Lubang hitam yang tidak berputar sama sekali (spin nol) adalah idealisasi teoritis yang mungkin jarang terjadi di alam.
Bisakah lubang hitam berhenti berputar?
Ya, jika materinya memiliki momentum sudut yang berlawanan dengan putaran lubang hitam, ia bisa memperlambat putaran itu. Proses ini memerlukan kondisi khusus dan belum banyak teramati secara langsung.
Apa yang terjadi jika lubang hitam berputar terlalu cepat?
Jika spin melebihi batas Kerr, horizon peristiwa akan hilang dan singularitas menjadi telanjang. Fisika saat ini memperkirakan bahwa singularitas telanjang tidak stabil atau tidak mungkin terbentuk, sehingga batas tersebut tidak terlampaui.
Artikel tentang 7 fakta lubang hitam yang sering bikin salah paham bisa memperdalam pemahaman tentang lubang hitam. Jika kamu sering bepergian dan perlu daya cadangan untuk perangkat, ada panduan tentang cara memilih power bank untuk HP yang bisa berguna.