Lubang putih

Bayangan cermin lubang hitam: bagaimana satu bisa dibuat, dan seperti apa rupanya

Sebuah pengandaian: fisika mengizinkannya di atas kertas, tetapi belum ada yang pernah melihatnya. Semuanya mengikuti teori saat ini.

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Lubang hitam, diputar mundur

Persamaan relativitas umum berjalan sama ke arah mana pun waktu berjalan. Putar mundur kisah lubang hitam dan Anda mendapat lubang putih: sesuatu yang tak bisa dimasuki apa pun dan yang melontarkan materi.

Lubang hitam adalah tempat yang darinya tak ada apa pun, bahkan cahaya, dapat keluar. Persamaan Einstein tak peduli arah waktu, jadi ada solusi bayangan cerminnya: lubang putih, yang darinya benda-benda keluar dan ke dalamnya tak ada yang bisa masuk. Igor Novikov mengusulkan pada 1964 bahwa objek semacam itu mungkin benar-benar ada.

Dari jauh keduanya tampak serupa. Gravitasi di luar lubang putih sama dengan di luar lubang hitam bermassa sama, sehingga cahaya membengkok di sekitarnya dengan cara sama dan planet akan mengorbitnya dengan cara sama. Bedanya di tepi: di cakrawala lubang hitam semuanya masuk, di cakrawala lubang putih semuanya keluar.

Lubang putih belum pernah ditemukan. Semua di sini teori: gambarnya lubang hitam sepuluh Matahari, lebar 59 km, dan selanjutnya adalah apa yang dikatakan persamaan tentang bayangan cerminnya.

Satu peta, empat wilayah

Solusi lengkap persamaan Einstein untuk satu lubang hitam sendirian memuat empat wilayah: alam semesta kita, lubang hitam, lubang putih, dan alam semesta lain. Lubang putih ada di masa lalu, lubang hitam di masa depan.

Pada 1960 Kruskal dan Szekeres menemukan peta lengkap ruang di sekitar lubang hitam. Digambar sebagai diagram di mana cahaya selalu bergerak 45 derajat, ia adalah persegi yang dibelah dua diagonalnya menjadi empat segitiga. Alam semesta kita di kanan dan waktu mengalir ke atas.

Apa pun yang jatuh dari alam semesta kita melintas ke wilayah di atas, lubang hitam. Semua yang pernah keluar dari lubang putih melakukannya dari wilayah di bawah, di masa lalu. Tak ada dari alam semesta kita yang bisa masuk ke lubang putih, karena itu berarti kembali ke masa lalu.

Lubang hitam yang dibuat bintang runtuh tak punya wilayah lubang putih: permukaan bintang memotong peta, dan lubang putih serta alam semesta kedua tak pernah ada di sana. Itu sebabnya lubang putih memerlukan kisahnya sendiri tentang bagaimana ia mungkin terbentuk.

Bagaimana satu bisa dibuat

Tak ada yang dikenal membuatnya. Satu gagasan: bintang yang runtuh mencapai keadaan terpadat yang diizinkan gravitasi kuantum, memantul, dan lubang hitam menjadi lubang putih. Pantulannya digambar.

Teori Einstein mengatakan materi dalam lubang hitam runtuh menjadi titik berkerapatan tak hingga, yang nyaris tak ada yang percaya. Gravitasi kuantum loop, satu upaya menggabungkan gravitasi dengan fisika kuantum, mengatakan ruang tak dapat dimampatkan di bawah ukuran terkecil, sehingga keruntuhan berhenti dan memantul: bintang Planck.

Gagasan lain lebih tua. Novikov mengusulkan pada 1964 bahwa beberapa wilayah alam semesta awal tertinggal dari pengembangan dan meledak terlambat sebagai lubang putih. Rovelli dan Vidotto berpendapat pada 2018 bahwa sisa-sisa mungil lubang hitam yang menguap bisa berupa lubang putih yang membentuk sebagian materi gelap. Keduanya belum pernah terlihat.

Seperseribu detik terakhir

Ketika bintang runtuh menjadi lubang hitam, permukaannya, dilihat dari jauh, merayap ke cakrawala, memerah dan meredup dengan faktor e setiap seperempat milidetik, untuk sepuluh Matahari (Ames dan Thorne, 1968). Diputar mundur, itu lubang putih yang membuka: cakram gelap, lalu cahaya merah redup yang menerang dan berubah putih kebiruan.

Ini solusi eksak, keruntuhan bola debu yang diputar mundur (Oppenheimer dan Snyder, 1939). Permukaan bintang akan keluar dari bayangan, mula-mula tepat di cakrawala lalu makin tinggi, sampai seluruh bayangan penuh cahaya.

Jadi bayangan tak lama hitam: cahaya yang akan terperangkap bisa keluar dari lubang putih. Setiap bagian langkah ini digambar dari persamaan. Tak seorang pun pernah melihat yang seperti ini.

Ia tak bisa bertahan

Tak ada yang bisa jatuh ke lubang putih, tetapi semua yang dekat mencobanya. Pada 1974 Eardley menunjukkan bahwa cahaya yang jatuh ke arahnya akan menumpuk di tepinya, memperoleh energi tanpa batas, dan mengubahnya menjadi lubang hitam.

Cakrawala lubang putih hanya bisa ditinggalkan, tak pernah dilintasi ke arah sebaliknya. Tetapi materi dan cahaya dari luar tetap bergerak ke arahnya, ditarik gravitasinya, dan tak bisa masuk. Maka mereka berkumpul di cakrawala, seperti lalu lintas di depan gerbang tertutup.

Dilihat dari materi yang keluar dari lubang putih, kerumunan pendatang terlambat ini terhimpit dan tergeser ke biru tanpa batas. Douglas Eardley menunjukkan pada 1974 bahwa bahkan jatuhan terlemah membawa energi cukup untuk meruntuhkan lubang putih menjadi lubang hitam. Tahun yang sama Zel'dovich, Novikov, dan Starobinskii menemukan ketidakstabilan kedua, dari efek kuantum.

Itu sebabnya lubang putih abadi tidak diharapkan: bila satu terbentuk, ia akan berumur pendek. Selubung biru pucat yang digambar di sini mewakili cahaya yang jatuh; ia tak bisa dilihat.

Lubang putih yang bisa Anda bangun

Anda bisa membuat lubang putih untuk gelombang. Pada 2011 Weinfurtner dan kawan-kawan mengirim gelombang melawan arus deras di saluran air: di tempat arus melampaui mereka, mereka terhenti, seperti cahaya di tepi lubang putih.

Gelombang di air merambat dengan kecepatan yang bergantung pada panjangnya. Buat air mengalir lebih cepat di atas gundukan halus, dan gelombang panjang yang menuju hulu melambat sampai arus menyamai kecepatannya. Di sana mereka tak bisa lanjut: tepi yang tak bisa dilintasi gelombang, seperti cakrawala lubang putih bagi cahaya.

Di tepi itu gelombang panjang diubah menjadi pendek, analog dari apa yang terjadi pada cahaya di lubang putih. Tim Silke Weinfurtner mengukurnya pada 2011 (Physical Review Letters) dan mendapati konversinya berwatak termal seperti yang diramalkan untuk radiasi Hawking. Rousseaux dan kawan-kawan telah melihat konversi serupa di sebuah tangki pada 2008.

Ini bukan lubang putih sungguhan: tanpa gravitasi, tanpa cahaya, hanya air. Tetapi matematikanya sama, itulah sebabnya tangki semacam itu dipakai untuk menguji gagasan tentang lubang hitam dan putih. Gelombang dan arus di sini digambar.

Apakah Dentuman Besar itu lubang putih?

Pada skala terbesar Dentuman Besar tampak seperti lubang putih: semburan materi dari satu titik. Sebagian fisikawan berpikir alam semesta kita adalah bagian dalam lubang hitam yang memantul. Pantulannya digambar.

Bagian dalam bola debu yang runtuh adalah alam semesta tertutup yang diputar mundur, seperti ditemukan Oppenheimer dan Snyder pada 1939. Putar maju sebaliknya dan bola itu alam semesta mengembang yang bermula dari satu titik: Dentuman Besar. Keduanya matematika yang sama, masing-masing cermin yang lain.

Pada 1972 Raj Pathria mengusulkan bahwa alam semesta kita mungkin bagian dalam lubang hitam di alam semesta yang lebih besar. Nikodem Popławski mengusulkan pada 2010 versi di mana spin dan torsi menghentikan keruntuhan di dalam setiap lubang hitam dan membuatnya memantul menjadi alam semesta baru yang mengembang.

Ini gagasan, bukan hasil. Tak ada yang bisa kita ukur yang membedakannya dari Dentuman Besar standar, dan alam semesta nyata mengembang ke segala arah sekaligus, bukan dalam semburan dari satu tempat.

Adakah yang pernah melihatnya?

Tidak. Beberapa gagasan mengatakan lubang putih mungil mungkin berkedip sekarang sebagai ledakan radio cepat, atau bersembunyi sebagai materi gelap, tetapi tak ada sinyal yang dikaitkan dengan satu pun. Lubang putih tetap dalam persamaan.

Barrau, Rovelli, dan Vidotto mengusulkan pada 2014 bahwa lubang hitam yang terbentuk di alam semesta awal bisa memantul menjadi lubang putih hari ini dan melepaskan ledakan gelombang radio. Ledakan radio cepat, kilatan milidetik berasal tak dikenal, punya panjang gelombang tak jauh dari yang mereka perkirakan. Itu dugaan tentang penyebabnya, tanpa bukti di baliknya.

Rovelli dan Vidotto berpendapat pada 2018 bahwa lubang putih seukuran Planck, yang tersisa ketika lubang hitam mungil selesai menguap, bisa membentuk sebagian materi gelap. Objek semacam itu terlalu kecil untuk dilihat langsung.

Jadi lubang putih ada di tempat ia bermula: bayangan cermin dalam persamaan, tanpa pengamatan yang membutuhkannya dan dengan alasan kuat mengapa ia mungkin tak bertahan. Tangki menunjukkan matematikanya benar; apakah alam pernah membuat satu masih terbuka.