Inilah yang mungkin (mungkin) ada di sisi lain lubang hitam

Mungkin penemuan ilmiah yang paling mengejutkan dalam satu dekade terakhir adalah bahwa alam semesta penuh dengan lubang hitam.

Lubang-lubang ini telah diamati dalam ukuran yang berbeda-beda dan mengejutkan: beberapa memiliki massa sedikit lebih besar dari massa Matahari, dan lainnya memiliki massa miliaran kali lebih besar. Hal ini juga telah diamati dengan berbagai cara: melalui emisi radio dari material yang jatuh ke dalam lubang; Dan melalui pengaruhnya terhadap bintang-bintang yang berputar di sekitarnya; Melalui gelombang gravitasi yang dipancarkan selama penggabungannya; Dan melalui distorsi cahaya yang sangat aneh yang ditimbulkannya (ingat Cincin Einstein, yang muncul dalam gambar Sagitarius A*, lubang hitam supermasif di pusat Bima Sakti, yang menghiasi halaman depan surat kabar internasional belum lama ini).

Ruang yang kita tinggali tidak mulus, melainkan penuh lubang di langit, seperti saringan. Teori relativitas umum Einstein meramalkan dan menggambarkan sifat fisik semua lubang hitam dengan baik.

Segala sesuatu yang kita ketahui tentang benda-benda aneh ini sepenuhnya sesuai dengan teori Einstein selama ini. Namun ada dua pertanyaan utama yang tidak terjawab oleh teori Einstein.

Pertanyaan pertama adalah: Kemana perginya materi ketika memasuki lubang hitam? Pertanyaan kedua adalah: Bagaimana lubang hitam berakhir? Argumen teoritis yang menarik, pertama kali dipahami oleh Stephen Hawking beberapa dekade yang lalu, menunjukkan bahwa di masa depan yang jauh, setelah kehidupan yang bergantung pada ukurannya, sebuah lubang hitam akan berkontraksi (atau seperti yang dikatakan para fisikawan, “menguap”), dengan memancarkan radiasi panas sekarang. dikenal sebagai radiasi.

Hal ini menyebabkan lubang menjadi semakin kecil, hingga menjadi sangat kecil. Tapi apa yang terjadi setelah itu? Alasan mengapa kedua pertanyaan ini belum terjawab, dan teori Einstein tidak memberikan jawabannya, adalah karena keduanya melibatkan aspek kuantum ruang-waktu.

Artinya keduanya melibatkan gravitasi kuantum, namun kita belum memiliki teori gravitasi kuantum yang kuat.

Cobalah untuk menjawab

Tapi masih ada harapan, karena kita punya teori tentatif. Teori-teori tersebut belum dapat dibuktikan karena belum didukung oleh eksperimen atau observasi.

Namun mereka cukup maju untuk memberi kita jawaban tentatif terhadap dua pertanyaan penting ini. Oleh karena itu, kita dapat menggunakan teori-teori ini untuk membuat dugaan tentang apa yang sedang terjadi.

Tak terdefinisikan

Mungkin teori ruang-waktu kuantum yang paling rinci dan canggih adalah loop quantum gravitasi, atau LQG – sebuah teori gravitasi kuantum eksperimental yang terus berkembang sejak akhir 1980-an.

Berkat teori ini, jawaban menarik atas pertanyaan-pertanyaan ini muncul. Jawaban ini ditunjukkan dalam skenario berikut. Bagian dalam lubang hitam berevolusi hingga mencapai tahap di mana efek kuantum mulai mendominasi.

Hal ini menciptakan gaya tolak menolak yang kuat yang mencerminkan dinamika bagian dalam lubang hitam yang runtuh, menyebabkannya “memantul”. Setelah fase kuantum ini, yang dijelaskan oleh teori gravitasi kuantum, ruang-waktu di dalam lubang kembali mematuhi teori Einstein, hanya saja lubang hitam kini mengembang dan bukannya berkontraksi.

Kemungkinan meluasnya lubang hitam sebenarnya telah diprediksi oleh teori Einstein, sama seperti prediksi lubang hitam. Ini adalah kemungkinan yang telah diketahui selama beberapa dekade; Wilayah ruang-waktu yang sesuai ini bahkan memiliki nama: “lubang putih”.

Baca selengkapnya:

Ide yang sama tetapi terbalik

Nama tersebut mencerminkan gagasan bahwa lubang putih, dalam arti tertentu, adalah kebalikan dari lubang hitam. Kita dapat membayangkannya dengan cara yang sama seperti bola yang memantul ke atas mengikuti jalur ke atas yang merupakan kebalikan dari jalur ke bawah yang diambil saat bola tersebut jatuh.

Lubang putih adalah struktur ruang-waktu yang mirip dengan lubang hitam tetapi dengan waktu yang terbalik. Di dalam lubang hitam, benda-benda berjatuhan; Namun di dalam lubang putih, benda-benda bergerak keluar. Tidak ada yang bisa keluar dari lubang hitam; Demikian pula, tidak ada yang bisa masuk ke lubang putih.

Dilihat dari luar, yang terjadi adalah pada akhir proses penguapan, lubang hitam yang kini berukuran kecil karena telah menguap sebagian besar massanya, berubah menjadi lubang putih kecil. LQG menunjukkan bahwa struktur seperti itu menjadi hampir stabil karena efek kuantum dan karenanya dapat bertahan untuk waktu yang lama.

Lubang putih terkadang disebut “sisa-sisa” karena merupakan sisa setelah lubang hitam menguap. Transisi dari lubang hitam ke lubang putih dapat dianggap sebagai “lompatan kuantum”. Hal ini mirip dengan konsep lompatan kuantum yang dikemukakan oleh fisikawan Denmark Niels Bohr, di mana elektron melompat dari satu orbital atom ke orbital atom lainnya ketika mereka mengubah energinya.

Lompatan kuantum menyebabkan atom memancarkan foton, yang menyebabkan pancaran cahaya yang memungkinkan kita melihat sesuatu. Namun teori gravitasi kuantum memperkirakan ukuran sisa-sisa kecil ini. Oleh karena itu hasil fisika yang khas: kuantisasi geometri. Secara khusus, teori gravitasi kuantum memperkirakan bahwa luas permukaan apa pun hanya dapat memiliki nilai diskrit tertentu.

Luas cakrawala sisa lubang putih harus ditentukan oleh nilai tak hilang terkecil. Ini setara dengan lubang putih dengan massa hanya sepersekian mikrogram: kira-kira seberat rambut manusia.

Skenario ini menjawab dua pertanyaan yang diajukan sebelumnya. Apa yang terjadi pada akhir proses penguapan adalah lubang hitam kuantum melompat ke dalam lubang putih kecil yang berumur panjang. Materi yang jatuh ke dalam lubang hitam nantinya dapat muncul dari lubang putih tersebut.

Sebagian besar energi materi telah dilepaskan oleh radiasi Hawking – radiasi berenergi rendah yang dipancarkan oleh lubang hitam akibat efek kuantum yang menyebabkannya menguap. Apa yang keluar dari lubang putih bukanlah energi materi yang jatuh ke dalamnya, melainkan sisa radiasi berenergi rendah, yang tetap membawa semua informasi sisa tentang materi yang jatuh ke dalamnya.

Salah satu kemungkinan menarik yang muncul dari skenario ini adalah bahwa materi gelap misterius yang jejaknya dilihat oleh para astronom di langit mungkin sebenarnya terbentuk, seluruhnya atau sebagian, dari lubang putih kecil yang dihasilkan oleh lubang hitam kuno yang menguap. Lubang-lubang ini mungkin muncul pada tahap awal alam semesta, mungkin sebelum Big Bang, yang sepertinya juga diprediksi oleh teori gravitasi kuantum.

Ini adalah solusi potensial yang menarik terhadap misteri sifat materi gelap, karena memberikan pemahaman tentang materi gelap hanya berdasarkan relativitas umum dan mekanika kuantum, dua aspek alam yang sudah mapan. Ia juga tidak menambahkan partikel medan acak atau persamaan dinamis baru, seperti yang dilakukan sebagian besar hipotesis eksperimental alternatif tentang materi gelap.

Langkah selanjutnya

Jadi, bisakah kita mendeteksi lubang putih? Mengamati lubang putih secara langsung akan sulit karena benda-benda kecil ini berinteraksi dengan ruang angkasa dan materi di sekitarnya secara unik melalui gravitasi yang sangat lemah.

Tidak mudah untuk mendeteksi rambut hanya dengan menggunakan gravitasinya. Namun mungkin hal itu tidak lagi mustahil seiring kemajuan teknologi. Gagasan tentang bagaimana melakukan hal ini dengan menggunakan detektor berbasis teknologi kuantum telah diajukan.

Jika materi gelap terdiri dari sisa-sisa lubang putih, perkiraan sederhana menunjukkan bahwa beberapa objek semacam itu mungkin terbang melintasi area seukuran ruangan besar setiap hari. Untuk saat ini, kita harus mempelajari skenario ini dan bagaimana kesesuaiannya dengan apa yang kita ketahui tentang alam semesta, sambil menunggu teknologi membantu kita mendeteksi objek-objek tersebut secara langsung.

Namun yang mengejutkan, skenario ini belum pernah diperhitungkan sebelumnya. Alasannya dapat ditelusuri kembali ke hipotesis yang dianut oleh banyak ahli teori dengan latar belakang teori string: versi kuat dari apa yang disebut hipotesis “holografik”.

Menurut hipotesis ini, informasi di dalam lubang hitam kecil tentu saja berukuran kecil, dan hal ini bertentangan dengan gagasan di atas. Hipotesis ini didasarkan pada gagasan tentang lubang hitam abadi: secara teknis, gagasan bahwa cakrawala lubang hitam harus merupakan cakrawala “peristiwa” (cakrawala “peristiwa” menurut definisi adalah cakrawala abadi). Jika cakrawala bersifat abadi, maka apa yang terjadi di dalamnya akan hilang selamanya, dan lubang hitam secara unik berbeda dari apa yang dapat dilihat dari luar.

Namun fenomena gravitasi kuantum mengganggu cakrawala ketika ia menjadi kecil, sehingga mencegahnya menjadi abadi. Oleh karena itu, cakrawala lubang hitam tidak bisa menjadi cakrawala “peristiwa”. Informasi yang dikandungnya mungkin berukuran besar, meskipun cakrawalanya kecil, dan informasi tersebut dapat diperoleh kembali setelah tahap lubang hitam, selama tahap lubang putih.

Anehnya, ketika lubang hitam dipelajari secara teoritis dan sifat kuantumnya diabaikan, cakrawala abadi dipandang sebagai sifat penentunya. Kini setelah kita memahami lubang hitam sebagai objek nyata di langit, dan meneliti sifat kuantumnya, kita menyadari bahwa gagasan bahwa cakrawala lubang hitam harus abadi hanyalah sebuah cita-cita.

Kenyataannya lebih bernuansa. Mungkin tidak ada yang abadi, bahkan cakrawala lubang hitam pun tidak.

Baca selengkapnya: