Tanya Ethan: Seperti apakah horizon peristiwa lubang hitam itu?

Gambar lubang hitam. Meskipun warnanya gelap, diyakini bahwa semua lubang hitam terbentuk dari materi biasa, tetapi ilustrasi seperti itu tidak sepenuhnya akurat.

Pada April 2017, teleskop di seluruh dunia secara bersamaan mengumpulkan data tentang lubang hitam pusat Bima Sakti. Dari semua lubang hitam yang dikenal di alam semesta, yang terletak di pusat galaksi - Sagitarius A * - adalah spesial. Dari sudut pandang kami, horizon peristiwa adalah lubang hitam terbesar yang tersedia bagi kami. Ini sangat besar sehingga teleskop yang terletak di tempat yang berbeda di Bumi harus melihatnya jika mereka semua melihatnya secara bersamaan. Meskipun akan memakan waktu berbulan-bulan untuk menggabungkan dan menganalisis data yang diperoleh dari teleskop yang berbeda, pada akhir 2017 kita harus mendapatkan gambar pertama dari horizon acara. Jadi bagaimana seharusnya dia melihatnya? Pertanyaan ini ditanyakan oleh salah satu pembaca kami, bingung dalam ilustrasi:

Bukankah seharusnya horizon peristiwa benar-benar mengelilingi lubang hitam dengan cara kulit telur? Semua seniman melukis lubang hitam dalam bentuk potongan telur rebus. Mengapa horizon peristiwa tidak sepenuhnya mengelilingi lubang hitam?

Tentu saja, di Internet Anda dapat menemukan ilustrasi dari berbagai jenis. Tapi mana yang benar?


Menggambar dengan lingkaran hitam sederhana dan cincin di sekitarnya - gambar horizon BH yang disederhanakan

Ilustrasi tertua adalah disk hitam sederhana yang menutupi semua cahaya di belakangnya. Ini masuk akal jika Anda mengingat apa itu BH: sebenarnya, itu adalah massa yang dikumpulkan di satu tempat yang begitu besar dan sangat kompak sehingga kecepatan lepas dari permukaannya melebihi kecepatan cahaya. Karena tidak ada yang dapat bergerak begitu cepat, bahkan transfer interaksi antara partikel di dalam BH, di dalam BH runtuh menjadi singularitas, dan horizon peristiwa terbentuk di sekitar BH. Cahaya tidak bisa lepas dari bagian bulat kosmos ini, yang karenanya harus melihat dari sudut pandang apa pun, seperti lingkaran hitam yang dilapiskan pada latar belakang Semesta.


BH bukan hanya massa di atas latar belakang yang terisolasi, tetapi memiliki efek gravitasi yang meregangkan, meningkatkan, dan mendistorsi cahaya karena pelensaan gravitasi.

Tapi ini bukan keseluruhan cerita. Karena gravitasi, BH meningkat dan mendistorsi cahaya yang datang dari sisi belakang karena efek pelensaan gravitasi. Ada ilustrasi yang lebih akurat dan terperinci tentang penampilan BH, dan bahkan memiliki horizon peristiwa yang ukurannya benar dibandingkan dengan kelengkungan ruang menurut GR.

Sayangnya, ilustrasi ini bukan tanpa kekurangan: mereka tidak memperhitungkan materi di depan black hole dan disk akresi di sekitar black hole. Beberapa gambar termasuk ini.


Gambar BH aktif, ditempati oleh pertambahan materi dan percepatan bagiannya dalam bentuk dua jet tegak lurus, dapat menggambarkan BH di pusat Galaksi kita dengan benar dari berbagai sudut pandang.

Karena efek gravitasi yang sangat besar, lubang hitam membentuk piringan akresi di hadapan sumber materi lainnya. Asteroid, awan gas, seluruh bintang dapat terkoyak oleh kekuatan pasang surut yang berasal dari benda besar seperti lubang hitam. Karena kekekalan momentum sudut dan karena tabrakan antara berbagai partikel peristiwa di BH, objek berbentuk cakram muncul di sekitarnya, yang memanas dan memancar. Di wilayah bagian dalam, partikel secara berkala jatuh ke dalam lubang hitam, yang menambah massanya, dan bahan di depannya mencakup bagian bola yang akan Anda lihat.

Tetapi horizon peristiwa itu sendiri buram, dan Anda seharusnya tidak melihat materi di baliknya.


Pada lubang hitam dalam film Interstellar, horizon acara untuk kelas khusus dari BH yang diputar ditampilkan dengan cukup akurat.

Anda mungkin terkejut bahwa di film Hollywood Interstellar BH digambarkan lebih akurat daripada di banyak gambar profesional yang dibuat di atau untuk NASA. Tetapi bahkan di kalangan profesional, ada banyak kesalahpahaman tentang BH. BH tidak mengisap materi, tetapi hanya memberikan efek gravitasi. BHs tidak merobek objek karena beberapa gaya tambahan - gaya pasang surut sederhana melakukan ini ketika satu bagian dari objek jatuh lebih dekat ke pusat daripada yang lain. Dan, yang paling penting, BH jarang ada dalam keadaan "telanjang", dan sering berada di dekat hal lain, seperti yang ada di pusat Galaksi kita.


Gambar komposit BH Sagitarius A * di tengah Galaxy kita, terdiri dari sinar-x dan sinar infra merah. Ini memiliki massa 4 juta matahari, dan dikelilingi oleh gas panas yang memancarkan dalam kisaran x-ray

Mengingat semua ini, mari kita ingat gambar apa dari telur rebus itu? Ingatlah bahwa BH itu sendiri tidak dapat digambarkan, karena tidak memancarkan cahaya. Kita hanya dapat mengamati dalam kisaran panjang gelombang tertentu dan melihat kombinasi cahaya yang melewati BH dari belakang, membungkuk dan di depannya. Dan sinyal yang dihasilkan akan benar-benar menyerupai telur rebus, dipotong menjadi dua.


Beberapa sinyal yang mungkin dari horizon peristiwa BH diperoleh dalam simulasi proyek " Teleskop Peristiwa Horizon "

Masalahnya adalah persis apa yang kita foto. Kami tidak dapat mengamati dalam kisaran x-ray, karena ada terlalu sedikit foton seperti itu. Kita tidak dapat mengamati dalam cahaya yang terlihat, karena pusat galaksi buram padanya. Dan kita tidak dapat mengamati dalam cahaya inframerah, karena atmosfer menghalangi sinar tersebut. Tetapi kita dapat mengamati dalam jangkauan radio, dan melakukannya di seluruh dunia, pada saat yang sama, untuk mendapatkan resolusi terbaik.


Bagian dari "Event Horizon Telescope" dari satu belahan bumi

Ukuran sudut BH di pusat galaksi adalah sekitar 37 mikrodetik sudut, dan resolusi teleskop adalah 15 mikrodetik sudut, jadi kita harus dapat melihatnya! Sebagian besar radiasi frekuensi radio berasal dari partikel bermuatan materi, yang berakselerasi di sekitar BH. Kita tidak tahu bagaimana cakram akan berorientasi, apakah akan ada beberapa cakram di sana, apakah itu akan lebih seperti segerombolan lebah atau cakram padat. Kami juga tidak tahu apakah dia lebih suka satu "sisi" dari BH, dari sudut pandang kami, ke yang lain.


Lima simulasi berbeda dalam relativitas umum menggunakan model magnetohydrodynamic dari disk lubang hitam, dan bagaimana sinyal yang diterima akan terlihat

Kami berharap menemukan cakrawala peristiwa nyata, dengan ukuran tertentu, menghalangi semua cahaya yang datang dari belakangnya. Kami juga mengharapkan adanya beberapa sinyal yang terletak di depannya, ketidakrataan sinyal ini karena kekacauan di sekitar lubang hitam, dan bahwa orientasi disk relatif terhadap lubang hitam akan menentukan apa yang sebenarnya dapat Anda lihat.

Satu bagian akan lebih cerah ketika disk berputar ke arah kita. Sisi lain redup ketika disk berputar menjauh dari kita. Garis besar horizon peristiwa juga dapat terlihat karena pelensaan gravitasi. Lebih penting lagi, lokasi disk ke arah kami dengan tepi atau bidang akan sangat mempengaruhi sifat sinyal yang diterima, seperti yang dapat dilihat pada kotak pertama dan ketiga dari gambar di bawah ini.


Lokasi disk ke arah kami dengan tepi (dua kotak kanan) atau pesawat (dua kotak kiri) akan sangat mempengaruhi apa yang akan kita lihat pada BH.

Kami dapat memeriksa efek lainnya, yaitu:

• Apakah BH memiliki ukuran yang diprediksi oleh GR,
• apakah horizon peristiwa bulat (seperti yang diperkirakan), atau memanjang, atau diratakan di kutub,
• apakah emisi radio meluas lebih jauh dari yang kita pikirkan

atau masih ada beberapa penyimpangan dari perilaku yang diharapkan. Ini adalah langkah baru dalam fisika, dan kami berada di ambang verifikasi langsungnya. Satu hal yang jelas: apa pun yang dilihat oleh "Event Horizon Telescope", kita pasti akan mempelajari sesuatu yang baru dan indah tentang salah satu objek dan kondisi paling ekstrem di Semesta!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].