Tarian Bintang di Sekeliling Lubang Hitam Supermasif

Teori relativitas umum Einstein kembali terbukti! Kali ini dari gerak bintang yang berada dalam pengaruh lubang hitam supermasif.

Ilustrasi orbit bintang-bintang di sekitar lubang hitam supermasif Sagittarius A* di pusat Bima Sakti. Salah satunya adlaah bintang S2. Kredit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Lagi-lagi Einstein benar

S2 merupakan salah satu bintang dalam gugus bintang masif yang mengelilingi lubang hitam supermasif Sagittarius A* (Sgr A*) yang ada di pusat galaksi Bima Sakti. Di antara bintang-bintang di dalam gugus tersebut, S2 merupakan bintang terdekat kedua dari lubang hitam di pusat Bima Sakti dengan massa 10 – 15 massa Matahari.

Ilustrasi lintasan bintang S2 di dekat lubang hitam supermasif. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Ilustrasi lintasan bintang S2 di dekat lubang hitam supermasif. Kredit: ESO/M. Kornmesser

Pada tahun 2018, para astronom mengamati bintang S2 berada saat berada pada periastron atau posisi terdekatnya dengan Sgr A*, lubang hitam supermasif dengan massa 4 juta massa Matahari. Berada pada jarak 18 miliar km, pengaruh gravitasi Sgr A* menyebabkan bintang S2 mengalami percepatan dan bergerak 7700 km/detik!

Hasil pengamatan tersebut memperlihatkan bintang mengalami pergeseran merah gravitasi, kehilangan energi karena medan gravitasi lubang hitam yang sangat kuat. Hasil ini memang mengonfirmasi prediksi relativitas umum tentang pergeseran merah.

Akan tetapi, seharusnya bukan cuma pergeseran merah yang terjadi pada S2. Menurut teori relativitas Einstein, orbit bintang S2 juga harusnya bergeser akibat kelengkungan ruang waktu di sekitar lubang hitam.

Ternyata memang demikian.

Perubahan orbit itu baru tampak setelah para astronom melakukan analisis hasil pengamatan bintang S2 selama 27 tahun, yang mencakup orbit S2 sebelum dan sesudah berada pada posisi terdekat dengan lubang hitam supermasif.

Presesi Orbit Merkurius

Berdasarkan teori relativitas umum, massa akan melengkungkan ruang-waktu dan objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut. Ketika ada sebuah objek yang berada sangat dekat dengan objek yang sangat masif maka akan terjadi pergeseran orbit yang dikenal sebagai presesi.

Di Tata Surya, efek dari relativitas Einstein bisa diamati pada presesi orbit Merkurius.

Presesi Merkurius akibat efek relativitas umum. Setiap kali Merkurius berada di dekat Matahari, orbitnya akan mengalami presesi. Kredit: Frobenius / Physics Stack Exchange
Presesi Merkurius akibat efek relativitas umum. Setiap kali Merkurius berada di dekat Matahari, orbitnya akan mengalami presesi. Kredit: Frobenius / Physics Stack Exchange

Planet Merkurius mengitari Matahari dalam orbit elips. Tapi, titik terdekatnya dengan Matahari tidak pernah sama. Posisi Merkurius mengalami perubahan meskipun sangat kecil. Orbit planet ini bergeser perlahan di sekeliling Matahari.

Teori Newton memang sudah memprediksi adanya presesi akibat gravitasi. Dan memang presesi semua planet sesuai dengan prediksi teori Newton, kecuali Merkurius. Hasil pengamatan memperlihatkan besar presesi Merkurius dalam satu abad ternyata berbeda dari hasil prediksi teori Newton. Rupanya, hasil pengamatan ini baru bisa dijelaskan dengan teori relativitas umum Einstein. Keberhasilan teori relativitas umum menjelaskan presesi Merkurius sekaligus menjadi konfirmasi pertama dari teori yang dibangun Einstein.

Dalam ruang-waktu yang melengkung, planet tidak mengorbit Matahari dalam orbit elips seperti teori Newton. Orbit benda pasti mengalami presesi karena kelengkungan ruang waktu. Besarnya presesi Merkurius inilah yang berhasil dijelaskan dengan tepat oleh Teori Relativitas Einstein.

Presesi orbit inilah yang teramati pada bintang S2.

Presesi Orbit S2

Ilustrasi orbit bintang S2 yang mengalami presesi saat berada dekat lubang hitam supermasif. Kredit: ESO/L. Calçada
Ilustrasi orbit bintang S2 yang mengalami presesi saat berada dekat lubang hitam supermasif. Kredit: ESO/L. Calçada

Seharusnya bintang S2 bergerak mengelilingi lubang hitam dalam orbit elips dan menyelesaikan putarannya setiap 16 tahun. Akan tetapi, hasil pengamatan sebelum dan sesudah bintang S2 berada pada posisisi terdekatnya dengan Sgr A* memperlihatkan terjadinya presesi sekitar 1/5 derajat. Presesinya tidak terlalu besar, akan tetapi, sekali lagi teori relativitas Einstein berhasil melewati ujiannya. Bintang S2 jadi bintang pertama yang teramati mengalami presesi Schwarzschild di dekat lubang hitam supermasif.

Pengamatan selama 30 tahun tentu hanya bisa menghasilkan kurang dari satu kali orbit S2 pada lubang hitam. Akan tetapi, untuk jangka waktu panjang, dan S2 berhasil menyelesaikan 10-20 kali orbitnya mengitari Sgr A*, maka jejak bintang di sekeliling lubang hitam akan membentuk pola rosetta seperti bunga dan bukan sebuah elips saja.

Pengamatan S2 dengan Very Large telescope milik ESO di gurun Atacama, Chili, juga menghasilkan informasi terkait lingkungan di sekitar lubang hitam yang berada 26.000 tahun cahaya dari Matahari. Ketaatan S2 pada relativitas umum membuat para astronom bisa menetapkan batas jumlah materi gelap yang terdistribusi di dekat lubang hitam tersebut.

Seandainya ada lubang hitam di dalam orbit S2 yang berada di dekat Sgr A*, batas massanya harus kurang dari 1000 massa Matahari. Jika massa lubang hitam tersebut lebih besar maka pengaruhnya pada bintang S2 bisa dideteksi dalam pengamatan.

Selain S2, ada bintang yang lebih dekat lagi dengan lubang hitam supermasif di pusat Bima Sakti. Namanya bintang S62. Orbit S62 sangat lonjong, dan posisi terdekatnya dengan Sgr A* hanya 2,8 juta km! Jarak ini lebih dekat dibanding Uranus ke Matahari.

Bintang S62 hanya butuh 10 tahun untuk menyelesaikan putaran orbitnya. Berbeda dengan S2 yang butuh 16 tahun. Yang jadi tantangan, bintang S62 sangat redup hingga sulit untuk diamati. Akan tetapi, perkembangan teknologi di masa depan diharapkan bisa membawa para astronom untuk melihat bintang di pusat Bima Sakti tersebut.

Yang pasti untuk saat ini, lagi-lagi kita menjadi saksi yang membuktikan teori relativitas umum yang dibangun seabad lampau.

Ditulis oleh

Avivah Yamani

Avivah Yamani

Tukang cerita astronomi keliling a.k.a komunikator astronomi yang dulu pernah sibuk menguji kestabilan planet-planet di bintang lain. Sehari-hari menuangkan kisah alam semesta lewat tulisan dan audio sambil bermain game dan sesekali menulis makalah ilmiah terkait astronomi & komunikasi sains.

Avivah juga bekerja sebagai Project Director 365 Days Of Astronomy di Planetary Science Institute dan dipercaya IAU sebagai IAU OAO National Outreach Coordinator untuk Indonesia.