Foto Pertama Lubang Hitam dari Pusat Galaksi M87

Babak baru astronomi kembali ditorehkan. Untuk pertama kali sejarah mencatat kolaborasi teleskop di seluruh dunia berhasil menyajikan potret Lubang Hitam.

Tepat 100 tahun setelah pengujian teori relativitas umum dilakukan saat Gerhana Matahari Total 1919, juga keberhasilan LIGO mengamati gelombang gravitasi beberapa tahun ini, terobosan lain kembali terjadi. Lubang hitam berhasil dipotret.  Citra ini merupakan gabungan data 8 teleskop radio yang bertindak sebagai satu teleskop radio raksasa sebesar Bumi.

Pencapaian ini menjadi babak baru yang memisahkan astronomi dalam era yang berbeda. Era sebelum lubang hitam dipotret dan era setelah lubang hitam berhasil difoto. Citra pertama ini mengungkap berbagai misteri yang belum diketahui sekaligus mengonfirmasi teori dan pemodelan yang sudah dibuat selama ini.

Galaksi M87

Lubang hitam yang dipotret oleh kolaborasi Event Horizon Telescope (EHT) adalah lubang hitam supermasif yang berada di pusat Messier 87 (M87), galaksi elips yang jaraknya 55 juta tahun cahaya di gugus Virgo. Galaksi yang berada di dalam gugus Virgo bersama Bima Sakti ini diketahui memiliki sekitar 1 miliar bintang dan dihuni oleh 1200 gugus bola, yang beranggotakan bintang-bintang tua. Lubang hitam di galaksi M87 dipilih karena tergolong lubang hitam terbesar dan lokasinya di langit juga tidak terlalu ke utara atau selatan untuk bisa diamati jaringan teleskop EHT dalam waktu yang sama.

Jarak M87 sangat jauh. Berada pada jarak 55 juta tahun cahaya, galaksi ini memiliki rentang ukuran 120 ribu tahun cahaya dengan total massa 200 kali lebih masif dari Bima Sakti. Di pusat galaksi inilah berdiam mesin utama galaksi ini. Sebuah lubang hitam supermasif yang massanya 6,5 miliar massa Matahari. Mesin pemangsa ini lebih masif dari lubang hitam di pusat Bima Sakti yang massanya hanya 4,6 juta massa Matahari.

Sebelum diamati oleh EHT, M87 juga diamati oleh teleskop Hubble selama 7 tahun dan hasilnya terjadi semburan jet energi tinggi yang bergerak mendekati kecepatan cahaya dan bisa mencapai jarak sejauh 5000 tahun cahaya. Semburan tersebut diperkirakan berasal dari piringan akresi padat materi yang mengitari lubang hitam dengan kecepatan 3,5 juta km / jam.

Itu gambaran sekilas tentang M87.

Lubang Hitam M87

Citra pertama lubang hitam yang dipotret EHT sebenarnya tidak benar-benar tepat merupakan lubang hitam supermasif di pusat M87. Citra gelap yang dikelilingi cincin terang tersebut merupakan efek gravitasi yang diberi julukan “sombar atau bayangan” lubang hitam. Bayangan ini terbentuk dari cahaya yang mengalami pembelokkan.

Lubang hitam dikenal sebagai pemangsa yang rakus dan juga kejam. Tapi, objek yang satu ini merupakan mesin utama yang mengendalikan evolusi galaksi. Gravitasinya yang maha kuat membuat cahaya yang terperangkap tidak bisa lepas. Permukaan atau jarak aman dimana materi bisa mengorbit lubang hitam dikenal sebagai horison peristiwa atau batasan di mana tidak ada jalan untuk kembali.

Saking kuatnya gravitasi lubang hitam, cahaya yang paling cepat bergerak di alam semesta pun tidak bisa keluar setelah melewati horison peristiwa lubang hitam. Jika cahaya saja terperangkap, itu berarti materi lain yang bergerak lebih lambat tidak akan pernah ke luar setelah memasuki horison peristiwa.

Untuk cahaya yang berada pada jarak aman, gravitasi maha kuat lubang hitam supermasif membelokkan cahaya tersebut dari materi di sekitarnya.  Cahaya yang dibelokkan kemudian membentuk cincin api atau cincin cahaya di sekeliling lubang hitam. Cincin api ini dikenal juga sebagai lingkaran foton karena pada batas inilah partikel cahaya foton mengalami pembelokkan oleh gravitasi.  Meskipun mengalami pembelokkan, cahaya di luar horison peristiwa masih bisa lepas dari lubang hitam, mengarah ke pengamat dan meninggalkan celah gelap di mana lubang hitam berada.

Area gelap di dalam cincin api inilah yang merefleksikan keberadaan lubang hitam dan dikenal sebagai “bayangan”, yang dipotret oleh EHT.  Meski tampak “kecil”, ukuran area gelap lubang hitam di dalam cincin api itu sangat besar yakni 40 miliar km. Sebagai gambaran, jarak Neptunus ke Matahari itu 5 miliar km. Itu artinya, jika lubang hitam ini ditempatkan di Tata Surya, ia akan memenuhi Tata Surya sampai ke area antara Sabuk Kuiper dan Awan Oort.

Ukuran horison peristiwa sebuah lubang hitam bergantung pada massanya. Mengutip tulisan Tri. L. Astraatmadja tentang lubang hitam:

“Apabila misalnya kita ingin menjadikan Matahari sebuah lubang hitam, maka seluruh massa Matahari (Massa Matahari = 2 x 10³⁰ kg) harus dipadatkan ke dalam bola dengan jari-jari 3 kilometer saja. Bola dengan garis tengah 6 kilometer ini, apabila titik pusatnya kita tempatkan di tengah-tengah Lapangan Monas di Jakarta, maka akan mencakup daerah dari Jalan Mangga Besar hingga Taman Suropati. Tidak terlalu besar, namun di dalamnya seluruh massa Matahari. Bayangkan.”

Cincin Terang di Sekeliling Lubang Hitam M87

Lubang hitam di pusat  M87 termasuk aktif mengonsumsi materi di sekelilingnya. Gas dan debu yang ada di dekat lubang hitam akan jatuh atau tertarik ke lubang hitam oleh gravitasi. Akibatnya, terbentuk piringan pipih materi yang kita kenal sebagai piringan akresi tepat di luar horison peristiwa.

Materi ini mengorbit lubang hitam dengan kecepatan berbeda. Mirip planet di Tata Surya. Planet dekat mengitari Matahari dengan cepat dan semakin jauh, periode orbit planet semakin lambat. Hal yang sama terjadi di piringan akresi lubang hitam. Materi yang berada dekat horison peristiwa bergerak mendekati kecepatan cahaya, sedangkan semakin jauh, gerak materi akan semakin lambat.

Materi berupa gas dan debu atau bahkan serpihan objek yang hancur ini bergerak dalam kecepatan tinggi. Akibatnya terjadi gesekan ataupun tabrakan antar materi yang menghasilkan panas. Gesekan terjadi pada seluruh materi dalam rentang beberapa miliar kilometer. Akibatnya materi di dalam piringan akresi dipanaskan sampai beberapa juta derajat dan pada akhirnya memancarkan bercahaya yang tampak dalam citra EHT.

Berada dekat lubang hitam cahaya juga dibelokkan oleh gravitasi lubang hitam. Akibat pembelokkan, foton dari materi di balik lubang hitam akan berbelok mengelilingi si lubang hitam sehingga tampak oleh pengamat. Sementara itu, semakin dekat cahaya dengan lubang hitam, semakin besar pembelokkan yang terjadi. Dan ini tentu saja terjadi sampai pada batas horison peristiwa di mana cahaya yang sudah masuk ke dalamnya tak nampak lagi dan menyisakan area gelap di dalam cincin terang.

Tapi, kalau diperhatikan cahaya cincin terang ini tidak merata. Ada bagian yang lebih terang dan ada yang redup. Tampaknya terjadi efek pancaran relativistik akibat materi yang bergerak mendekati kecepatan cahaya di sekeliling lubang hitam.

Ketika objek yang bergerak mendekati kecepatan cahaya menuju pengamat, cahaya tampak makin terang karena sebagian besar cahaya fokus ke arah pengamat. Sementara, cahaya yang bergerak menjauh dengan kecepatan cahaya akan tampak makin gelap karena fokus arahnya bukan ke pengamat. Coba arahkan lampu dengan cepat mendekat dan menjauh, maka cahaya akan berperilaku seperti cahaya senter yang fokus pada arah tertentu.

Jika citra lubang hitam M87 ditilik dengan seksama, maka area bagian bawah lebih terang dan atas lebih redup. Hal ini karena materi di bagian bawah mengarah ke pengamat dan yang di atas menjauhi pengamat. Dari sini, bisa diketahui arah rotasi piringan akresi beserta lubang hitam yang dikitarinya, yakni searah jarum jam.

Ketika citra lubang hitam atau lebih tepatnya bayangan lubang hitam diperoleh, para astronom pun melakukan perbandingan hasil pengamatan dengan model komputasi. Tentunya model komputasi yang dibuat juga sudah merepresentasikan kelengkungan ruangwaktu, materi yang mengalami pemanasan, dan medan magnetik yang sangat kuat. Hasil ini sekaligus membuktikan bahwa prediksi relativitas umum terkait apa yang terjadi di sekeliling benda yang gravitasinya sangat kuat terbukti.  Hasilnya, apa yang dilihat oleh para astronom dalam data EHT ternyata cocok dengan model komputasi.

Kolaborasi Event Horizon Telescope

Memotret lubang hitam jelas bukan perkara mudah. Untuk memungkinkan impian ini terlaksana, para astronom membangun kolaborasi global yang melibatkan 40 negara. Kolaborasi EHT bertujuan untuk membangun teleskop raksasa virtual seukuran Bumi dari gabungan 8 teleskop radio yang menyebar di 8 lokasi berbeda yakni Arizona, Chili, Meksiko, Spanyol, Hawaii, dan Antartika. Kolaborasi EHT yang dimulai tahun 2009 ini pada akhirnya mulai mengarahkan seluruh teleskop untuk mengamati M87 pada 5 April 2017 setelah melakukan persiapan dan pembaruan teleskop selama hampir satu dekade. Tujuannya untuk menghubungkan ke-8 teleskop dari berbagai negara menjadi satu teleskop radio raksasa seukuran Bumi.

Ke delapan teleskop itu adalah ALMA dan APEX di Chili, teleskop 30 meter IRAM di Spanyol, Teleskop James Clerk Maxwell dan Submillimeter Array di Hawai’i, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano di Meksiko, Teleskop Submillimeter di Arizona, dan South Pole Telescope di Antartika.

Teknik pengamatan yang digunakan adalah teknik Very-long-baseline interferometry / VLBI atau teknik interferometri garis-dasar panjang, yang menggunakan beberapa teleskop radio di Bumi untuk mengumpulkan pancaran sinar radio dari objek astronomi. Ke delapan teleskop radio tersebut diselaraskan dan difungsikan sebagai satu teleskop raksasa seukuran Bumi yang melakukan pengamatan pada panjang gelombang 1,3 mm. Cahaya yang diterima kemudian digabung untuk menghasilkan informasi yang utuh. Mirip seperti menyusun potongan puzzle.

Pengamatan dengan teknik VLBI memungkinkan EHT untuk menghasilkan resolusi sudut 20 mikro detik busur. Dengan resolusi ini, kamu bisa membaca koran di Tokyo dari kafe di Jakarta!

Data pengamatan yang menghasilkan citra lubang hitam ini sangat besar, mencapai 5 petabita (PB) atau 5000 TB, setara dengan 5000 tahun berkas musik. Data ini kemudian dikirim ke Jerman dan Amerika untuk digabungkan oleh super komputer di Max Planck Institute for Radio Astronomy dan MIT Haystack Observatory. Setiap harinya para ilmuwan ini mengolah 350 TB data yang diselaraskan dengan jam atom agar bisa akurat. Setelah melakukan perhitungan dan memroses citra selama 2 tahun, foto pertama dari Lubang HItam pun akhirnya bisa disajikan.

Apa Arti Pengamatan Lubang Hitam?

Keberhasilan untuk memotret lubang hitam ini sangat penting, karena untuk pertama kalinya konsep matematika bisa ditransformasikan ke objek fisis yang dapat diuji, diukur, dan diamati berulang kali. Dasar penting dari sains. Bisa melakukan percobaan berulang kali untuk dibuktikan!

Citra cincin api dan data yang sudah dikumpulkan akan terus dipelajari dan dianalisis. Citra terbaru yang diperoleh oleh Kolaborasi EHT, akan membawa kita untuk mengenali lubang hitam dan lingkungan sekitarnya dari dekat.

Dengan pencitraan langsung lubang hitam supermasif M87 dan piringan akresinya, para astronom bisa memperoleh pemahaman terkait kompleksnya proses yang menghasilkan semburan atau jet pada galaksi aktif. Apalagi semburan lebih lazim terjadi pada lubang hitam supermasif yang aktif ketika alam semesta masih muda, maka tidak mengherankan jika kita bisa mengungkap bagaimana evolusi alam semesta ketika masih muda.

Selain itu, di masa depan, EHT diharapkan dapat memotret citra lubang hitam di galaksi lain, salah satunya adalah Sagittarius A* (Sgr A).  Dalam rilis citra lubang hitam M87, dinyatakan bahwa Sgr A tidak mudah dipotret karena ribuan kali lebih kecil, ribuan kali lebih dekat, ribuan kali lebih cepat, dengan ukuran bayangan yang sama denganlubang hitam M87. Ibarat memotret balita yang lincah bergerak terus menerus selama 8 jam, sementara citra yang diambil adalah foto diam. Di sisi lain, lubang hitam di M87 justru mirip beruang besar yang sedang tidur, ttidak banyak bergerak sehingga mudah dipotret.

Perjalanan EHT untuk menyingkap rahasia lubang hitam di alam semesta baru dimulai. Terobosan baru dalam hal  teknologi, kolaborasi antar teleskop radio terbaik di dunia, dan inovasi algoritma, merupakan titik awal yang membuka jendela baru memahami lubang hitam dan horison peristiwa. Jadi kita tunggu saja kisah lain dari lubang hitam di masa depan.