Lohong Hitam dan Rahsia Sulit Bima Sakti

*Ini merupakan terjemahan rencana bertajuk “Black holes and Milky Way’s darkest secrets” yang telah disiapkan oleh Wan Mohd Aimran bin Wan Mohd Kamil dan Muhammad Afiq Dzuan bin Mohd Azhar dengan bantuan Murthadza bin Aznam.

Rajah 1: Roger Penrose, Andrea Ghez dan Renhard Genzel

Hadiah Nobel Fizik pada tahun ini dikongsi oleh tiga pemenang hasil penemuan mereka mengenai salah satu fenomena alam semulajadi paling aneh iaitu lohong hitam. Roger Penrose telah membuktikan bahawa lohong hitam merupakan natijah langsung daripada Teori Kenisbian Am. Reinhard Genzel dan Andrea Ghez pula telah menyelesaikan teka-teki tentang kewujudan suatu jasad berat dan padat namun tidak dapat dilihat yang berperanan mencorakkan orbit-orbit bintang di pusat galaksi Bima Sakti kita. Pada masa itu, hanya lohong hitam supermasif saja yang mensifati ciri-ciri jasad misteri tersebut.

Roger Penrose telah mencipta kaedah matematik yang baharu bagi meneroka Teori Kenisbian Am Einstein. Beliau menunjukkan bahawa teori tersebut meramalkan pembentukan lohong hitam, sebuah jerat pada hamparan ruang-masa yang akan memerangkap kesemua objek yang mendekatinya. Tiada sesuatu benda sekalipun, termasuklah cahaya, yang mampu melarikan diri daripada cengkamannya.

Reinhard Genzel dan Andrea Ghez masing-masing mengetuai sekumpulan ahli astronomi yang mengkaji suatu kawasan di pusat galaksi Bima Sakti sejak awal tahun 1990-an lagi. Saban tahun, mereka telah berjaya memetakan orbit bintang-bintang cerah berdekatan dengan pusat galaksi kita dengan tahap ketepatan yang tinggi. Kedua-dua kumpulan telah menjumpai sebuah jasad kelam yang teramat berat sehingga ia memaksa bintang-bintang di sekitarnya untuk beredar mengelilinginya. Berat jasad kelam ini kira-kira empat juta kali ganda berat Matahari dan mengisi ruang kawasan sebesar Sistem Suria kita. Apakah jasad yang mengakibatkan bintang-bintang di pusat Bima Sakti bergerak pada kelajuan yang menakjubkan? Menurut teori kegravitian masani, lohong hitam supermasif sahajalah yang menepati petanda-petanda ini.

Sebuah penemuan melangkaui jangkaan Einstein

Albert Einstein, iaitu Bapa Teori Kenisbian Am, meragui kewujudan lohong hitam. Namun, sepuluh tahun selepas kematian Einstein, seorang fizikawan teori berbangsa Inggeris iaitu Roger Penrose telah membuktikan bahawa lohong hitam boleh terbentuk dan menerangkan sifat-sifatnya. Di pusat lohong hitam, terdapat satu titik ketunggalan yang tersembunyi dan ia merupakan suatu sempadan di mana segala hukum alam yang kita ketahui tidak lagi terpakai. 

Untuk membuktikan bahawa proses pembentukan lohong hitam ini merupakan suatu proses yang stabil, Penrose perlu mengembangkan kajian teori kenisbian yang sedia ada dengan membangunkan kaedah matematik yang baharu. Penyelesaian masalah ini telah dikemukakan oleh Penrose dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada Januari 1965. Makalah ini masih dianggap sebagai sumbangan terpenting kepada perkembangan teori kenisbian selepas Einstein.

Alam semesta dalam genggaman daya graviti

Lohong hitam boleh dianggap sebagai suatu fenomena teraneh yang diramalkan oleh Teori Kenisbian Am. Apabila Albert Einstein menerbitkan teorinya pada November 1915, ianya telah merombak kesemua konsep berkenaan ruang dan masa yang ada sebelumnya. Teori Einstein ini telah menyediakan suatu asas pemahaman yang baru mengenai daya tarikan graviti yang mengukir alam semesta pada skala terbesar. Sejak itu, teori ini telah menjadi asas kepada segala kajian mengenai alam semesta dan juga mempunyai kegunaan praktikal yang digunakan dalam peralatan pandu arah, iaitu GPS.

Teori Einstein menerangkan bagaimana setiap benda dan manusia di alam ini dipegang oleh daya tarikan graviti. Daya tarikan graviti menetapkan jejak manusia agar sentiasa berada di permukaan Bumi. Daya tarikan graviti bertanggungjawab mengatur orbit-orbit planet mengelilingi Matahari selain mengatur orbit matahari yang mengelilingi pusat galaksi Bima Sakti. Ia juga memacu kelahiran bintang daripada kepulan awan nebula, serta mendorong kematiannya menerusi keruntuhan graviti. Daya graviti juga melentur ruang dan menetapkan kepantasan aliran masa. Sebuah jisim berat mampu melentur ruang dan memperlahankan masa. Jisim yang teramat berat pula mampu ‘menebuk’ hamparan ruang-masa – lalu menghasilkan lohong hitam. 

Teori pertama yang menerangkan lohong hitam dikemukakan beberapa minggu selepas terbitnya Teori Kenisbian Am. Walaupun Teori Kenisbian Am mempunyai rumus-rumus matematik yang sangat rumit, ianya tidak menghalang Karl Schwarzschild, iaitu seorang ahli astrofizik berbangsa Jerman, daripada membantu Einstein dengan menyumbangkan penyelesaian yang menerangkan bagaimana objek berjisim besar boleh melentur ruang-masa.. 

Kajian-kajian selanjutnya menunjukkan bahawa apabila lohong hitam terbentuk, ianya akan diselubungi oleh sesuatu yang dinamakan sebagai ufuk peristiwa. Lohong hitam akan selamanya tersembunyi di sebalik ufuk peristiwanya. Semakin besar jisim, semakin besarlah lohong hitam dan ufuk peristiwanya. Bagi lohong hitam yang memiliki jisim bersamaan dengan jisim matahari, diameter ufuk peristiwanya hanya sekitar tiga kilometer. Lohong hitam yang berjisim seperti jisim Bumi pula akan mempunyai ufuk peristiwa yang berdiameter sekecil sembilan milimeter.

Sebuah penyelesaian memungkiri kesempurnaan

Lohong hitam merupakan nasib akhir dalam proses evolusi bintang gergasi. Pengiraan pertama berkenaan keruntuhan mendadak bintang gergasi telah dilakukan pada akhir 1930-an oleh ahli fizik bernama Robert Oppenheimer, yang kemudiannya mengetuai projek Manhattan yang membina bom atom yang pertama. Apabila sebutir bintang gergasi telah kehabisan bahan bakarnya, bintang tersebut akan meletup sebagai supernova dan kemudiannya meruntuh menjadi suatu jasad yang sangat padat dan tersangat berat sehinggakan ianya mampu menarik kesemua benda di sekelilingnya, termasuklah cahaya. 

Idea tentang “bintang gelap” pernah dipertimbangkan sekitar akhir abad yang ke-18. Idea ini merupakan hasil buah fikiran ahli falsafah dan matematik berbangsa Inggeris bernama John Michell dan ahli sains berbangsa Perancis bernama Pierre Simon de Laplace. Kedua-duanya membayangkan objek-objek samawi menjadi sangat tumpat sehinggakan objek-objek tersebut tidak lagi kelihatan kerana cahaya yang dipancarkan oleh objek-objek tersebut tidak dapat membebaskan diri daripada daya tarikan graviti objek tersebut.

Beberapa abad kemudian, sesudah Albert Einstein menerbitkan Teori Kenisbian Am beliau, beberapa penyelesaian bagi persamaan-persamaan beliau yang tersangatlah sukar turut memperlihatkan ciri-ciri yang sama dengan bintang gelap. Sehingga tahun 1960-an, penyelesaian-penyelesaian tersebut dianggap sebagai suatu dugaan bersifat teori semata-mata iaitu menerangkan keadaan unggul di mana bintang-bintang dan lohong hitam masing-masing berbentuk bulat yang sempurna dan bersimetri. Namun begitu, tiada apapun di alam semesta ini yang sempurna dan Roger Penrose merupakan orang pertama yang berjaya menemukan penyelesaian yang realistik bagi kesemua objek yang mengalami keruntuhan graviti dengan mengambil kira ketidaksempurnaan semulajadi objek tersebut.

Misteri kuasar

Persoalan mengenai kewujudan lohong hitam tercetus kembali pada tahun 1963 apabila ahli astronomi menemui kuasar, iaitu objek yang paling terang di alam semesta. Selama sedekad, mereka telah bergelumang dengan perasaan hairan tentang punca sinaran gelombang radio dari sumber-sumber misteri seperti objek yang dinamakan 3C273 yang berada dalam gugusan buruj Virgo. Sinaran cahaya tampak akhirnya membongkar lokasi sebenar objek ini – 3C273 sebenarnya terletak sangat jauh sehinggakan sinarannya memakan masa lebih daripada satu billion tahun untuk tiba ke Bumi. 

Sekiranya suatu sumber sinaran itu terletak pada jarak yang sangat jauh, pastinya keamatan sumber tersebut setara dengan keamatan himpunan ratusan galaksi. Objek sedemikian telah dinamakan ‘kuasar’. Tidak lama kemudian, ahli astronomi telah menemui kuasar-kuasar yang letaknya terlalu jauh dari kita, sehingga dikatakan cahayanya yang tiba sekarang telah meninggalkan sumbernya tatkala alam semesta masih remaja. Apakah punca sinaran yang menakjubkan ini? Hanya ada satu cara sahaja yang mampu menjana kuasa sebanyak itu dalam isipadu kuasar yang terbatas itu: iaitu proses tokokan jirim ke dalam lohong hitam supermasif.

Permukaan terperangkap memecah kebuntuan

Bagaimana lohong hitam dapat terbentuk secara nyata merupakan persoalan yang sering bermain dalam fikiran Roger Penrose. Menurut beliau, jawapannya diperoleh semasa musim luruh pada tahun 1964 ketika sedang berjalan bersama-sama rakan sekerjanya di London. Pada ketika itu, beliau merupakan seorang profesor matematik di Kolej Birkbeck. Mereka berdua sedang menunggu untuk melintas sebuah jalan apabila secara tiba-tiba, secebis ilham melintasi fikirannya. Tidak lama kemudian, beliau cuba merenung maksud ilham tersebut secara ilmiah. Hasil penelitian beliau itu telah membuahkan idea bernama “permukaan terperangkap” dan ia merupakan kunci yang beliau cari selama ini. Idea ini merupakan alat matematik yang sangat penting bagi menerangkan sifat lohong hitam. 

Sebuah permukaan terperangkap memaksa segala jenis sinaran untuk menumpu pada suatu pusat tanpa mengira sama ada permukaan itu melengkung ke luar ataupun ke dalam. Dengan menggunakan konsep permukaan terperangkap, Penrose telah berjaya membuktikan bahawa lohong hitam akan sentiasa mempunyai titik ketunggalan iaitu batas berakhirnya ruang dan masa. Ia mempunyai ketumpatan yang tak terhingga nilainya namun sehingga kini tiada teori yang mampu digunakan untuk menjelaskan fenomena ketunggalan yang sangat pelik ini. 

Permukaan terperangkap menjadi konsep teras dalam pembuktian Penrose mengenai idea ketunggalan. Kaedah topologi yang beliau perkenalkan ini amat penting dalam kajian kosmologi  pada masa kini. 

Jalan sehala ke penghujung waktu

Apabila jirim-jirim mula runtuh dan permukaan terperangkap terbentuk, tiada apa yang mampu melawan proses keruntuhan tersebut. Menurut ahli fizik dan pemenang Hadiah Nobel berbangsa India iaitu Subrahmanyan Chandrasekhar, proses keruntuhan ini tidak akan boleh berpatah balik. Beliau mengambarkan keadaan ini seperti seekor pepatung dan larvanya yang hidup di dalam air. Apabila larva itu sudah bersedia untuk mengembangkan sayapnya, larva tersebut berjanji kepada kawan-kawan larvanya yang lain untuk menceritakan mengenai kehidupan di daratan. Namun, apabila larva itu keluar melepasi permukaan air dan terbang sebagai seekor pepatung, ia tidak boleh kembali ke dalam air. Larva-larva yang lain di dalam air tidak akan dapat mendengar kisah kehidupan di daratan.

Sama seperti kisah pepatung dan larvanya itu, semua jirim boleh melepasi ufuk peristiwa lohong hitam dalam satu arah sahaja. Setelah itu, masa akan menggantikan ruang dan kesemua haluan akan terarah ke dalam lohong hitam dan pengaliran masa akan membawa segala-galanya ke arah titik ketunggalan (Rajah 1). Kita tidak akan merasai apa-apa sekalipun apabila terjatuh ke dalam ufuk peristiwa lohong hitam supermasif. Dari luar ufuk peristiwa, tiada sesiapapun akan dapat melihat kita jatuh ke dalamnya dan perjalanan kita menuju ke ufuk akan berterusan selamanya. Menurut hukum-hakam fizik, mustahil untuk kita melihat ke dalam lohong hitam. Oleh yang demikian, segala rahsia lohong hitam akan tersembunyi di sebalik ufuk peristiwanya.

Rajah 2: Pembentukan lohong hitam

Lohong hitam melukiskan orbit bintang-bintang

Meskipun lohong hitam tidak dapat dilihat, kewujudan dan sifatnya boleh ditentukan dengan memerhatikan bagaimana hala tuju gerakan bintang-bintang di sekitar lohong hitam tersebut ditentukan oleh daya tarikan gravitinya.

Reinhard Genzel dan Andrea Ghez masing-masing telah mengetuai kumpulan penyelidikan yang meneroka pusat galaksi kita, Bima Sakti. Galaksi kita berbentuk seperti cakera leper berdiameter 100,000 tahun cahaya. Ia terdiri daripada gas, debu dan ribuan juta bintang. Salah satu daripada bintang ini merupakan Matahari kita. Pandangan kita ke arah pusat galaksi terhalang oleh kepulan-kepulan awan bergas dan berdebu yang menyerap kebanyakan sinaran cahaya yang berpunca dari pusat galaksi kita. Justeru, ahli astronomi perlu menggunakan teleskop inframerah dan teleskop radio untuk menembusi kepulan awan bergas dan berdebu ini seterusnya mengizinkan cerapan bintang-bintang yang terletak di pusat galaksi kita. 

Berpandukan bentuk dan saiz orbit bintang-bintang yang terletak di pusat galaksi kita, Genzel dan Ghez telah menemui bukti kukuh bahawa terdapat sebuah jasad legap berjisim tinggi yang tersembunyi di pusat galaksi kita. Jasad ini merupakan sebuah lohong hitam.

Tumpuan kepada pusat galaksi kita

Para fizikawan telah mengesyaki kewujudan lohong hitam di pusat galaksi kita selama lebih 50 tahun. Semenjak kuasar ditemu pada awal 1960-an, para fizikawan menduga bahawa lohong hitam supermasif wujud di pusat kebanyakan galaksi-galaksi besar, termasuklah galaksi Bima Sakti. Namun begitu, proses pembentukan lohong hitam yang ribuan juta dan jutaan kali lebih berat dari Matahari masih belum diketahui sehingga sekarang.

Seratus tahun yang lalu, seorang ahli astronomi Amerika, Harlow Shapley menjadi orang pertama yang mengenalpasti kedudukan pusat galaksi Bima Sakti, yang terletak pada arah buruj Sagittarius. Cerapan lanjut membolehkan ahli astronomi mengenalpasti sumber gelombang radio yang kuat berhampiran dengan pusat galaksi Bima Sakti. Sumber gelombang radio ini diberi nama Sagittarius A*. Pada hujung 1960-an, terbukti bahawa Sagittarius A* terletak di pusat galaksi Bima Sakti dan keseluruhan galaksi kita bergerak mengelilinginya. 

Kajian secara sistematik ke atas Sagittarius A* hanya bermula pada 1990-an dengan terciptanya teleskop yang lebih besar dan alatan yang lebih canggih. Reinhard Genzel dan Andrea Ghez masing-masing telah memulakan projek untuk mencerap menembusi kepulan awan berdebu yang menyelubungi pusat galaksi Bima Sakti. Mereka berdua bersama-sama dengan kumpulan penyelidikan masing-masing telah membangunkan dan memajukan teknik-teknik cerapan, membina alatan khas dan melaksanakan usaha pencerapan jangka panjang.

Rajah 3: Galaksi Bima Sakti

Hanya teleskop bersaiz besar sahaja yang cukup berkuasa untuk merenung bintang-bintang yang jauh – justeru, ahli astronomi sentiasa berlumba-lumba untuk membina teleskop yang paling besar. Reinhard Genzel bersama dengan kumpulan penyelidikannya asalnya menggunakan NTT ataupun New Technology Telescope di pergunungan La Silla di Chile. Mereka kemudiannya menggunakan VLT ataupun Very Large Telescope di pergunungan Paranal, juga di Chile. VLT terdiri daripada empat buah teleskop gergasi dan setiap satu daripada keempat-empat teleskop ini mempunyai cermin berdiameter 8 meter, iaitu bersaiz dua kali ganda NTT.   

Andrea Ghez dan kumpulan penyelidikannya pula menggunakan Balai Cerap Keck di gunung Mauna Kea di kepulauan Hawaii. Balai cerap ini memiliki cermin berdiameter kira-kira 10 meter dan merupakan salah sebuah teleskop terbesar di dunia pada ketika ini. Cermin teleskop ini terdiri daripada 36 kepingan berasingan, setiap satu berbentuk heksagon dan boleh diselaraskan secara individu untuk menumpukan cahaya bintang dengan lebih baik lalu menghasilkan imej yang lebih tajam.

Bintang-bintang penunjuk jalan

Sebesar mana sekalipun teleskop yang kita miliki, dayakuasa penglihatan kita terhadap objek-objek di angkasa lepas terbatas kerana kita mendiami dasar lapisan atmosfera setebal 100 kilometer. Perolakan udara panas dan sejuk di lapisan atmosfera bertindak seumpama kanta yang membiaskan cahaya-cahaya bintang dalam perjalanannya dari angkasa lepas ke teleskop di permukaan Bumi, justeru mengherotkan haluan dan arah tuju cahaya-cahaya bintang. Herotan cahaya-cahaya bintang inilah yang menyebabkan bintang berkerdipan di langit malam selain mengaburkan imej bintang-bintang yang dicerap. 

Penciptaan teknologi optik adaptif atau optik penyesuai memainkan peranan besar dalam meningkatkan mutu cerapan. Teleskop-teleskop kini disertai dengan sekeping cermin nipis yang mampu memperbetulkan herotan cahaya-cahaya bintang yang disebabkan oleh perolakan atmosfera, justeru menghasilkan imej yang lebih tajam.

Selama hampir 30 tahun, Reinhard Genzel dan Andrea Ghez telah menjejaki pergerakan bintang-bintang di pusat galaksi kita. Mereka juga telah membangun dan memajukan teknologi penderia cahaya dan optik penyesuai yang berhasil untuk meningkatkan kuasa peleraian teleskop sebanyak seribu kali ganda. Kini, mereka boleh menentukan dengan teliti kedudukan setiap satu bintang yang mengerumuni pusat galaksi kita dan merakamkan perubahan kedudukan mereka malam demi malam. 

Para penyelidik telah menjejaki pergerakan 30 bintang tercerah di dalam gugusan bintang yang mengerumuni pusat galaksi kita. Bintang-bintang yang berjarak 1 bulan cahaya dari pusat galaksi kita mengorbit pada kelajuan yang tinggi, umpama kawanan lebah-lebah yang sedang berterbangan. Manakalah bintang-bintang yang terlebih jauh mengorbit dalam lintasan elips yang lebih teratur dan santai.

Sebutir bintang bernama S2 atau S-O2 mengambil tempoh masa selama 16 tahun untuk melengkapkan satu pusingan mengelilingi pusat galaksi kita. Tempoh masa yang singkat ini membolehkan ahli astronomi memetakan keseluruhan orbitnya. Sebagai perbandingan, Matahari mengambil tempoh masa 250 juta tahun untuk melengkapkan satu pusingan mengelilingi pusat galaksi kita.

Rajah 4: Orbit bintang-bintang tersebut mendedahkan wujudnya sesuatu yang berat dan tidak kelihatan di pusat Bima Sakti yang sedang mengatur laluan mereka.

Teori dan pemerhatian berganding bahu

Kesepadanan pengukuran hasil pencerapan yang telah dilakukan oleh kedua-dua kumpulan penyelidikan mengukuhkan kesimpulan bahawa wujudnya lohong hitam di pusat galaksi kita. Lohong hitam ini seberat kira-kira empat juta kali ganda berat Matahari dan menempati kawasan sebesar Sistem Suria kita.

Kita mungkin berpeluang untuk menangkap gambar Sagittarius A* secara terus tidak lama lagi. Lohong hitam ini merupakan sasaran seterusnya untuk Teleskop Ufuk Peristiwa yang telahpun berjaya menangkap gambar lohong hitam supermasif di pusat galaksi M87 yang terletak 87 juta tahun cahaya dari kita pada tahun lalu.

Lohong hitam di pusat galaksi M87 adalah seribu kali lebih berat berbanding Sagittarius A*. Manakala lohong hitam yang telah bertembung dan menjana gelombang kegravitian yang dikesan baru-baru ini jauh lebih ringan. Gelombang kegravitian merupakan salah satu lagi ramalan Teori Kenisbian Am Einstein dan telah berjaya dikesan buat pertama kalinya pada akhir tahun 2015 oleh pengesan LIGO di Amerika Syarikat. Pencapaian ini telah dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik pada tahun 2017.

Apa yang masih belum diketahui

Roger Penrose telah membuktikan bahawa lohong hitam merupakan natijah langsung Teori Kenisbian Am. Namun, teori ini tidak boleh digunapakai untuk menerangkan tabiat ketunggalan di pusat lohong hitam, di mana kekuatan medan gravitinya meningkat secara melampau. Fizikawan teori sedang berhempas pulas untuk membangunkan teori baru graviti kuantum. Teori ini akan menyatukan dua teori utama fizik masani, iaitu teori kenisbian dan teori mekanik kuantum. Penyatuan kedua-dua teori ini diramalkan berlaku di pusat lohong hitam. 

Pada masa yang sama, cerapan ke atas lohong hitam semakin giat dijalankan. Reinhard Genzel dan Andrea Ghez telah mempelopori kerja-kerja menentusahkan Teori Kenisbian Am serta ramalan-ramalannya yang menakjubkan. Usaha-usaha cerapan dan pengukuran ini juga akan membekalkan idea berguna dalam membangunkan teori-teori baru. 

Masih terdapat banyak rahsia dan kejutan yang menanti kita dalam penerokaan alam semesta ini.

Akademi Sains Diraja Sweden telah memutuskan untuk menganugerahkan Hadiah Nobel Fizik untuk tahun 2020:

Dengan separuh hadiah dikurniakan kepada:

ROGER PENROSE

Dilahirkan di Colchester, UK pada tahun 1931. Dikurniakan Ph.D. dari University of Cambridge, UK pada tahun 1957. Merupakan profesor di University of Oxord, UK

“Untuk penemuan bahawa pembentukan lohong hitam merupakan ramalan mapan Teori Kenisbian Am”

Dan separuh hadiah dikurniakan kepada:

REINHARD GENZEL

Dilahirkan di Bad Honrburg vor der Hohe, Jerman pada tahun 1952. Dikurniakan Ph.D. dari University of Bonn, Jerman pada tahun 1978. Merupakan pengarah Institut Max Planck untuk Fizik Ruang Angkasa, Garching, Jerman dan profesor di University of California, Berkeley, Amerika Syarikat.

ANDREA GHEZ

Dilahirkan di kota New York, Amerika Syarikat pada tahun 1965. Dikurnikan Ph.D. dari California Institute of Technology, Pasadena, Amerika Syarikat pada tahun 1992. Merupakan profesor di University of California, Los Angeles, Amerika Syarikat.

“Untuk penemuan jasad padat supermasif di pusat galaksi kita.”

Daftar Istilah

Teori Kenisbian Umum = General Theory of Relativity, General Relativity

Lohong hitam supermasif = Supermassive black hole

Ufuk peristiwa = Event horizon

Titik ketunggalan = Singularity point

Bintang gelap = Dark star

Kuasar = Quasar

Permukaan terperangkap = Trapped surface

Optik penyuai = Adaptive optics

Kongsikan artikel ini: