Tahun lalu, kami akhirnya memotret lubang hitam. Sekarang apa?

Mengorbit teleskop dapat membantu kita membayangkan lubang hitam yang belum pernah ada sebelumnya.

Shepherd Doleman membutuhkan waktu hampir sepuluh tahun untuk mencapai yang mustahil. Sebagai direktur Event Horizon Telescope (EHT), sebuah proyek yang melibatkan komunitas internasional yang terdiri dari ratusan peneliti, ia melakukan perjalanan selama bertahun-tahun dengan koper berisi hard drive di seluruh dunia untuk mengoordinasikan pengamatan antara teleskop radio di empat benua, termasuk Antartika. Pada 9 April 2019, kerja sama akhirnya membuahkan hasil dari pekerjaan mereka, dan dunia melihat gambar pertama dari lubang hitam .

Prestasi, yang James Bardin, seorang teoritikus pelopor lubang hitam, disebut putus asa pada tahun 1973, adalah pencapaian luar biasa dari teknologi astronomi. Tapi begitu pemrosesan data selesai dan sampanye tumpah, kolaborasi EHT dalam arti menjadi seperti anjing yang menangkap mobil. "Semua orang terkejut mendapatkan tembakan yang begitu cepat," kata Andrew Strominger, seorang ahli fisika teori di Universitas Harvard. “Shepard dan Michael [Johnson, astrofisikawan dan koordinator EHT Harvard-Smithsonian], menanyakan hal ini kepada saya. “Apa yang akan kita lakukan dengan ini? Kami mengambil foto, dan sekarang bagaimana? ”

Sekarang Strominger dan tim peneliti interdisipliner, termasuk ahli teori, peneliti, dan satu filsuf, telah kembali dengan jawaban liar yang muncul minggu lalu di Science Advances. Dengan akses ke teleskop yang cukup jauh, kolaborasi EHT dapat membedakan banyak pantulan cahaya yang mengalir di sekitar lubang hitam. Dengan menganalisis pola yang tepat dalam sinar yang terjerat ini, para astronom dapat secara langsung mengukur sifat dasar lubang hitam dan menguji teori gravitasi Einstein yang belum pernah terjadi sebelumnya. Bahkan, mereka berharap lubang hitam akan menjadi lebih seperti bintang dan planet: bukan hanya objek untuk dipikirkan, tetapi untuk pengamatan langsung.

"Ini adalah objek yang bagi saya hanyalah persamaan yang saya coba bayangkan secara matematis dalam pikiran saya," kata Alex Lupsaska , seorang ahli teori Harvard yang bekerja pada penelitian. "Tapi sekarang kita punya foto asli mereka."

Tim melakukan perhitungan menggunakan pensil dan kertas, berdasarkan teori relativitas Einstein dan simulasi resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya, untuk menganalisis apa yang dilakukan lubang hitam dengan cahaya. Spoiler perhatian!: Sesuatu yang aneh terjadi. "Lubang hitam, mereka hanya yang terbaik dalam segala hal yang mereka lakukan," kata Lupsaska. Dan itu termasuk membengkokkan sinar cahaya menjadi loop.

Sebagai benda terpadat yang mengikuti hukum fisika, lubang hitam memiliki daya tarik kosmik yang luar biasa, dan fisikawan telah lama mengetahui bahwa jurang tersembunyi di dalam selubung cahaya. Di mana Bumi dapat menarik batu bulat kosmik yang lewat - menariknya ke beberapa orbit sebelum terbang kembali ke ruang angkasa - lubang hitam dapat menangkap partikel cahaya nyata. Segala sesuatu yang menabrak lubang hitam akan terjebak di dalam selamanya, tetapi foton yang meluncur di sepanjang perbatasan dapat membuat beberapa revolusi di sekitar lubang hitam. “Ini adalah sifat ruang-waktu yang terdistorsi,“ menjerit ”,” kata Lupsaska.

Strominger, Lupsaska dan rekan mereka secara akurat menghitung struktur spesifik dari amplop cahaya dan bagaimana kelihatannya ketika mengamatinya dari Bumi.

Begini cara kerjanya. Ketika sinar cahaya mendekati lubang hitam, gravitasinya yang menakutkan membawa mereka ke orbit. Sinar yang lewat pada jarak tertentu membuat setengah memutar lubang hitam sebelum masuk ke ruang angkasa. Sinar yang mendekat sedikit bisa membuat lingkaran penuh sebelum kembali dari tempat asalnya. Sinar yang lewat lebih dekat masih dapat membuat satu dan dua putaran, dua lainnya berputar dan seterusnya. Masing-masing kelompok sinar cahaya yang tak berujung ini dapat membentuk sebuah gambar (ketika mereka mengenai kamera atau bola mata), sehingga sebuah lubang hitam dapat menciptakan jumlah gambar yang tak terbatas. Strominger membandingkan efek aneh ini dengan bagaimana Anda akan berdiri di antara dua cermin di sebuah department store dan melihat bagaimana refleksi Anda meregang lebih jauh di sana.

"Di dunia yang ideal dengan teleskop yang sempurna, Anda akan melihat lubang hitam dan melihat tidak hanya jumlah gambar tak terbatas yang tertanam di yang lain, tetapi seluruh alam semesta," katanya.

Tapi EHT, seperti semua teleskop, tidak sempurna. Ini bahkan bukan teleskop, tetapi interferometer teknis. Interferometer bekerja dengan membandingkan pengamatan titik yang jauh dari dua tempat yang berbeda. Semakin jauh tempat dari satu sama lain, semakin halus fitur objek yang bisa mereka tangkap. Ketika refleksi lubang hitam berturut-turut (yang mungkin tampak sebagai cincin bagi pengamat) menjadi semakin tipis, para astronom harus menggunakan observatorium yang lebih jauh untuk melihatnya.

Untuk mendeteksi cincin reflektif, EHT harus melangkah lebih jauh. Pada akhirnya, penulis penelitian menyimpulkan bahwa kolaborasi harus menambahkan observatorium ruang ke jaringan mereka. Hanya satu yang harus melakukannya. Sebuah satelit yang mengorbit Bumi dapat dengan jelas mengidentifikasi cincin pertama, atau sebuah kendaraan yang mengorbit bulan dapat melihat yang kedua. Jika mereka dapat membawa pesawat ruang angkasa ke tempat antara Bumi dan Matahari, yang dikenal sebagai titik Lagrange kedua (tujuan dari Teleskop Luar Angkasa James Webb masa depan), mereka dapat mengidentifikasi tiga cincin pertama. Misi semacam itu dapat menelan biaya beberapa ratus juta dolar - mahal, tetapi tidak semahal proyek ilmiah terbesar. "Ini adalah sesuatu yang suatu hari nanti akan dilakukan seseorang," kata Lupsaska. "Ini masalah waktu."

Dengan tumpukan uang ini, astrofisikawan akan membeli banyak pengetahuan tentang black hole. Pengamatan cincin akan segera berfungsi sebagai tes pertama dari teori relativitas umum dalam media dengan gravitasi yang cukup kuat untuk menekuk sinar cahaya menjadi loop penuh. Penyempitan cincin sangat akurat, sehingga penyimpangan apa pun akan menandakan bahwa sesuatu yang aneh sedang terjadi. "Tidak ada ruang untuk bermanuver," kata Lupsaska. "Anda pergi ke sana dan melakukan pengukuran, dan itu cocok dengan teorinya atau tidak."

Sejumlah kecil ahli teori mengharapkan penghancuran teori Einstein yang paling sukses. Sebaliknya, mereka lebih bersemangat karena cincin itu dapat membuktikan keberadaan dua lubang hitam cukup dekat untuk menerima gambar dengan cara ini. Astronom memiliki beberapa cara untuk mengukur sifat dasar dari lubang hitam, seperti massa dan putarannya, tetapi mereka harus membuat banyak asumsi untuk menyelidiki hal ini. Pola cincin hanya bergantung pada lubang hitam - yang tidak ada hubungannya dengan plasma bercahaya dan puing-puing di dekatnya - sehingga pengamatan semacam itu dapat memberikan fisikawan cara yang lebih jelas untuk menjawab pertanyaan paling mendasar tentang benda-benda misterius ini.

Dan analisis ini hanyalah permulaan. Setelah pekerjaan itu disajikan musim panas lalu (untuk mengantisipasi penilaian ahli), itu menyebabkan gelombang penelitian berikutnya, karena fisikawan sedang terburu-buru untuk mengembangkan teori ini. "Ditekankan bahwa ada banyak detail menarik yang belum kami eksplorasi, dan mereka mengilhami kami untuk kemungkinan studi baru," kata Elizabeth Himwich , seorang mahasiswa pascasarjana Harvard yang menganalisis bagaimana jenis cahaya berganti-ganti dari satu cincin ke cincin lainnya .

Lupsaska membandingkan upaya yang harus dilakukan pada tahap awal dengan contoh biologi. "Sebelum Anda ingin memahami cara mengatur DNA dan menggunakan pengulangan palindromik klaster pendek untuk menyalin dan mengedit DNA, Anda pertama-tama pergi ke hutan dan menentukan:" Ini adalah pohon, ini adalah bunga, "katanya. "Di sinilah kita berada di bidang fisika dalam studi lubang hitam sebagai ilmu eksperimental."