Bagaimana lubang hitam terbentuk

Bagaimana inti bintang raksasa runtuh ke dirinya sendiri dan menutup diri dari alam semesta

Langkah demi langkah

Raksasa yang terkutuk

Bintang yang lebih dari sekitar 20 kali massa Matahari mengakhiri hidupnya dengan inti yang begitu besar dan padat sehingga supernova biasa bisa kesulitan untuk dimulai. Model komputer menunjukkan bahwa cukup banyak di antaranya sama sekali tidak meledak.

Bintang ini dimodelkan dari N6946-BH1, maharaksasa merah bermassa sekitar 25 Matahari di galaksi NGC 6946, 22 juta tahun cahaya jauhnya. Para astronom yang mengawasi ribuan bintang semacam itu untuk mencari yang menghilang memergokinya pada 2009.

Dari luar ia tampak seperti maharaksasa dingin yang membengkak lainnya: tak ada yang memberi tanda apa yang akan dilakukan intinya.

Inti menyerah

Seperti pada supernova, inti besi runtuh dalam seperempat detik dan memantul, membentuk bintang neutron selebar sekitar 30 km. Gelombang kejut berangkat, lalu macet.

Semuanya dimulai seperti supernova biasa: inti besi, terlalu berat untuk ditopang elektronnya, runtuh ke dirinya sendiri dan mengeras saat mencapai kerapatan inti atom. Bintang neutron yang baru masih bengkak dan panas, dan memancarkan neutrino.

Gelombang kejut dari pantulan kehabisan energi dalam beberapa perseratus detik dan berhenti sekitar 150 km dari pusat, seperti pada setiap keruntuhan semacam ini. Apa yang terjadi selanjutnya menentukan apakah bintang itu meledak.

Terlalu berat untuk ditahan

Di sini neutrino tidak mampu membangkitkan kembali gelombang kejut. Gas terus menghujani bintang neutron, yang bertambah dari 1,8 menjadi 2,3 kali massa Matahari dalam sekitar satu detik.

Di inti yang paling padat, gas jatuh begitu cepat sehingga pemanasan oleh neutrino tak bisa mendorong gelombang kejut keluar lagi. Gelombang kejut surut, dan lapisan dalam bintang tercurah ke bintang neutron dengan kecepatan hampir setengah kecepatan cahaya.

Bintang neutron ditopang oleh tekanan neutronnya, yang terjepit serapat inti atom. Tekanan itu ada batasnya: bintang neutron terberat yang diketahui, PSR J0952-0607, bermassa 2,35 kali Matahari, dan tidak ada yang diperkirakan jauh lebih berat.

Setiap sepersepuluh detik menambah massa. Waktu bintang neutron itu hampir habis.

Melewati batas

Tak ada lagi gaya yang dapat menahannya: ia runtuh dalam sekitar sepersepuluh ribu detik. Sebuah horizon muncul di pusatnya dan tumbuh ke luar, menyusul permukaan yang jatuh tepat ketika permukaan itu melewati ukuran akhir horizon.

Inilah keruntuhan paling sederhana yang dijelaskan relativitas umum secara tepat, dihitung oleh Robert Oppenheimer dan Hartland Snyder pada 1939. Horizon bukan sesuatu yang dibuat materi bintang di permukaannya: horizon adalah batas wilayah yang darinya cahaya tak bisa lagi keluar, dan ia bermula sebagai sebuah titik di pusat.

Begitu permukaan berada di dalam, tak ada bagian bintang itu yang dapat terlihat lagi. Materinya terus jatuh ke arah pusat, tempat relativitas umum meramalkan singularitas: sebuah titik di mana hukum fisika kita saat ini berhenti berlaku.

Untuk bintang neutron bermassa 2,3 Matahari, horizon akhirnya selebar sekitar 14 km.

Membeku, memerah, lenyap

Dilihat dari jauh, permukaan tampak melambat saat mendekati horizon dan tak pernah benar-benar mencapainya. Cahayanya makin merah dan redup, dan dalam seperseribu detik tak ada lagi yang terlihat.

Di dekat horizon, waktu yang dilihat dari jauh meregang tanpa batas, dan cahaya yang mendaki keluar kehilangan makin banyak energi. Jadi pengamat jauh melihat keruntuhan melambat hingga hampir berhenti, bintangnya membeku tepat di luar horizon. Tetapi bintang yang membeku itu tak terlihat: cahayanya meredup sekitar tiga kali lipat setiap enam puluh sepersejuta detik.

Inilah kebenaran di balik klaim populer bahwa orang yang jatuh ke lubang hitam akan melihat seluruh masa depan alam semesta melintas cepat. Tidak demikian: pelancong yang jatuh melintasi horizon dalam sekejap waktunya sendiri dan tidak melihat apa pun yang istimewa di sana. Hanya pengamat jauh yang tidak pernah melihatnya melintas.

Sebuah bintang lenyap

Sisa inti jatuh ke dalam dalam satu jam, dan lubang itu tumbuh hingga sekitar sepuluh Matahari. Lapisan luar bintang yang terikat longgar melayang pergi, bersinar redup selama berbulan-bulan; lalu tak ada lagi yang terlihat.

Neutrino membawa begitu banyak energi sehingga bintang tiba-tiba lebih ringan beberapa persepuluh massa Matahari. Lapisan luarnya, yang nyaris tak tertahan gravitasi, merasakan tarikan mengendur dan melayang pergi sambil bersinar redup: satu-satunya tanda dari luar bahwa sesuatu telah terjadi.

Itulah yang dilihat para astronom pada 2009: N6946-BH1 bersinar seterang sekitar sejuta Matahari selama beberapa bulan, lalu memudar. Pada 2015 Hubble tak lagi menemukannya dalam cahaya tampak, di tempat bintang bermassa 25 Matahari dulu berada. Hanya tersisa pendar inframerah redup dari debu hangat.

Inilah contoh terbaik sejauh ini tentang bintang yang langsung runtuh menjadi lubang hitam, meski para astronom masih memeriksa bahwa tak ada hal lain yang bisa menjelaskannya.

Sebuah lubang hitam

Cakram hitam itu adalah bayangannya, sekitar dua setengah kali lebih lebar daripada horizon, karena cahaya yang datang terlalu dekat akan tertangkap. Tepat di luarnya, cahaya bintang-bintang di belakang dibelokkan menjadi cincin; cincin terang tipis yang menempel pada bayangan adalah cahaya yang mengitari lubang itu sebelum lolos.

Yang tersisa dari bintang itu hanyalah massanya, putarannya, dan muatan listrik: lubang hitam tak punya permukaan dan tak ada hal lain yang membedakannya. Dua lubang hitam dengan massa dan putaran yang sama benar-benar serupa.

Galaksi kita semestinya menyimpan sekitar seratus juta lubang hitam yang terbentuk dengan cara ini. Sebagian besar sendirian dan gelap, dan hampir mustahil ditemukan.

Memangsa tetangga

Lubang hitam yang punya pendamping dekat dapat menarik gas darinya ke sebuah piringan. Dipanaskan hingga jutaan derajat, piringan itu bersinar dalam sinar-X: begitulah Cygnus X-1, lubang hitam pertama yang ditemukan, membuka kedoknya.

Cygnus X-1 adalah lubang hitam bermassa 21 Matahari yang mengitari maharaksasa biru bermassa sekitar 41 Matahari, 7.200 tahun cahaya jauhnya. Sinar-X-nya ditemukan pada 1964, dan pada awal 1970-an orbit pendampingnya menunjukkan bahwa pasangan yang tak terlihat itu terlalu berat untuk menjadi apa pun selain lubang hitam.

Gas yang berpilin ke dalam memanas karena bergesekan dengan dirinya sendiri, dan di dekat lubang ia bergerak dengan sebagian besar kecepatan cahaya. Sisi piringan yang mendekati kita tampak lebih terang daripada sisi yang menjauh, dan gravitasi lubang membelokkan sisi jauh piringan hingga terlihat.

Pada 2024 wahana Gaia menemukan Gaia BH3, lubang hitam bermassa 33 Matahari yang hanya 1.926 tahun cahaya jauhnya, dari cara ia mengayunkan bintang pendampingnya. Ia tidak memangsa apa pun, dan gelap.

Dari kota hingga raksasa

Lubang hitam yang dibuat bintang bermassa beberapa hingga beberapa puluh Matahari. Di pusat galaksi terdapat raksasa: Sagitarius A* bermassa empat juta Matahari, M87* enam setengah miliar, dengan horizon yang lebih lebar daripada sistem planet kita.

Horizon tumbuh seiring massanya: sekitar 6 km lebarnya untuk setiap massa Matahari. Horizon Sagitarius A* selebar sekitar 25 juta km; horizon M87* sekitar 38 miliar km, beberapa kali lebih lebar daripada orbit Neptunus.

Apa pun yang dimampatkan cukup kecil akan menjadi lubang hitam. Matahari harus diremas menjadi bola selebar 6 km; Bumi menjadi bola selebar 18 mm saja, sebesar kelereng.

Bagaimana para raksasa itu menjadi begitu besar masih diteliti. Mereka tumbuh dengan menelan gas dan bergabung satu sama lain, tetapi Teleskop Luar Angkasa James Webb telah menemukan lubang hitam bermassa jutaan Matahari kurang dari 500 juta tahun setelah Dentuman Besar, yang mungkin sudah lahir besar: dari runtuhnya awan gas, tanpa bintang sama sekali.

Ketika dua lubang hitam bergabung, mereka mengguncang ruang itu sendiri dan memancarkan gelombang gravitasi. Sejak 2015 detektor di Bumi telah menangkap ratusan penggabungan semacam itu.