Menguji Teori Gravitasi dengan Bayangan Lubang Hitam

Foto lubang hitam dari kolaborasi Teleskop Event Horizon menjadi bukti terbaik untuk menguji semua teori gravitasi yang berkembang saat ini.

Simulasi gerak plasma di sekliling lebung hitam. Lingkaran biru terang yang tampak pada gambar itu yang disebut bayangan lubang hitam. Kredit: L. Medeiros; C. Chan; D. Psaltis; F. Özel; University of Arizona; Institute for Advanced Study.
Simulasi gerak plasma di sekitar lubang hitam. Lingkaran biru terang yang tampak pada gambar itu yang disebut bayangan lubang hitam. Kredit: L. Medeiros; C. Chan; D. Psaltis; F. Özel; University of Arizona; Institute for Advanced Study.

Lagi-lagi Einstein benar. Singkatnya teori relativitas umum yang dibangun Einstein lebih dari seabad lampau masih menjadi standar dalam memahami gravitasi.

Itulah hasil terbaru yang dirlis tim kolaborasi Teleskop Event Horizon (EHT). Penelitian ini bukan untuk membuktikan teori relavitas umum Einstein tapi justru mencari cara untuk menguji teori gravitasi yang ada saat ini.

Yup! Tidak salah. Meksipun teori relativitas umum menjadi yang paling lengkap dalam menjelaskan gravitasi, tapi para fisikawan masih membangun teori alternatif dengan memodifikasi terori relativitas umum. Diantaranya untuk menjelaskan materi gelap, energi gelap, dan penerapan fisika kuantum ke dalam gravitasi.

Ketika Kolaborasi Teleskop Event Horizon berhasil mengkonstruksi data pengamatan menjadi foto lubang hitam, bukti dari prediksi relativitas umum terpampang jelas. Pada objek berkerapatan sangat tinggi, gravitasi yang sangat kuat akan melengkungkan ruang waktu sehingga informasi tidak bisa keluar, termasuk cahaya. Efeknya, foton cahaya yang melintas di dekat objek tersebut akan dibengkokkan.

Sebelum foto ini diambil, para astronom sudah bisa memprediksi keberadaan lubang hitam dari gerak bintang yang ada di dekatnya. Tapi, ketika EHT berhasil “memotret” bayangan lubang hitam supermasif di pusat galaksi M87, foto tersebut memperlihatkan bahwa teori relativitas umum konsisten ketika berada pada objek dengan massa yang sangat besar dan gravitasi yang sangat kuat.

Itu artinya, teori gravitasi Einstein sudah terbukti konsisten dengan hasil pengamatan. Jika ada teori gravitasi alternatif, maka tentu teori tersebut harus sesuai dengan hasil pengamatan.

Menurut Pierre Christian, astrofisikawan asal Indonesia di University of Arizona yang juga peneliti dalam riset ini,  “Ada banyak teori gravitasi alternatif. Pertanyaannya, teori gravitasi mana yang konsisten dengan foto lubang hitam tersebut? Selain itu, seberapa besar perbedaan teori alternatif dari teori relativitas umum untuk tetap konsisten?”

Untuk menjawab pertanyaan tersebut, peneliti Kolaborasi EHT Dimitrios Psaltis dari University of Arizona, melakukan perhitungan untuk memperoleh parameter tunggal yang bisa digunakan untuk menguji seluruh teori gravitasi yang ada. Dan pada akhirnya bisa menentukan teori lain manakah yang juga konsisten.

Teori Gravitasi Setelah Newton

Uji coba gravitasi termasuk di Tata Surya dan Lubang Hitam Supermasif. Kredit: D. Psaltis, UArizona; NASA/WMAP; ESA/Cassini; Kolaborasi EHT.
Uji coba gravitasi termasuk di Tata Surya dan Lubang Hitam Supermasif. Kredit: D. Psaltis, UArizona; NASA/WMAP; ESA/Cassini; Kolaborasi EHT.

Gaya gravitasi dibangkitkan dari massa suatu objek, dan selalu menarik objek lain yang juga memiliki massa. Ini adalah teori gravitasi Newton yang kita kenal. Sederhananya, gravitasi adalah gaya tarik. Karena Bumi massanya besar, maka semua benda yang ada di atas permukaan ini ditarik oleh gravitasi Bumi. Gravitasi bersifat universal, artinya berlaku di manapun di alam semesta ini.

Tapi, ketika mendekati benda yang massanya luar biasa besar, ada penyimpangan yang tidak cukup jika dijelaskan oleh teori gravitasi Newton. Penyimpangan tersebut bisa dilihat pada presesi perihelion Merkurius. Hasil pengamatan presesi Merkurius berbeda dengan prediksi Newton. Baru setelah Einstein menghitung dengan relativitas umum, presesi Merkurius yang terjadi cocok dengan hal pengamatan.

Berdasarkan teori relativitas umum, gravitasi bukan lagi sifat yang muncul dari objek bermassa. Gravitasi justru bagian dari ruang-waktu. Di dalam ruang-waktu, keberadaan massa akan melengkungkan ruang-waktu, dan objek-objek di sekitar massa tersebut akan bergerak mengikuti kelengkungan ruang-waktu tersebut.

Ketika Einstein membangun teori relativitas umum, masalah Merkurius ini berhasil dipecahkan. Bukti sahih lainnya kemudian berhasil diperoleh dari cahaya bintang di dekat piringan Matahari mengalami pembelokkan. Ini berhasil diamati oleh Eddington saat gerhana matahari total 1919.

Upaya untuk membuktikan relativitas umum tidak berhenti di sini. Pembuktian dengan melihat anomali di dekat Matahari tidak cukup karena Matahari termasuk objek dengan medan gravitasi lemah. Pembuktian lain harus dilakukan dengan melihat gerak objek di sekitar objek yang gravitasinya sangat kuat, seperti pada pulsar. Pada sepasang pulsar yang gravitasinya sangat kuat, presesi periapsisnya hanya bisa dijelaskan dengan relativitas umum.

Keberhasilan para astronom mendeteksi gelombang gravitasi menjadi bukti kuat teori relativitas umum yang memprediksi terbentuknya riak pada ruang waktu ketika sebuah objek bermassa sangat besar bergerak dipercepat. Riak ini kemudian menjalar menjauhi objek bermassa besar tersebut. Riak tersebut dideteksi dari tabrakan pasangan lubang hitam serta lubang hitam dan bintang neutron.

Gelombang gravitasi memang digadang sebagai bukti paling mutakhir yang menempatkan teori gravitasi Einstein kokoh dan tidak tergoyahkan. Tapi, pada tahun 2019, kolaborasi EHT merilis foto bayangan lubang hitam yang memperlihatkan konsistensi teori relativitas umum Einstein dengan hasil pengamatan pada medan gravitasi kuat.

Satu Parameter Untuk Semua

Teori gravitasi Einstein telah berhasil melewati berbagai ujian. Citra lubang hitam dari jaringan EHT bukan sekedar bukti bahwa Einstein benar, tapi sekalgus menjadi tetapan standar baru dalam membuat teori alternatif. Teori yang dibuat harus bisa konsisten dengan foto tersebut.

Citra fenomenal itu berasal dari lubang hitam supermasif di pusat galaksi M87. Berada pada jarak 55 juta tahun cahaya, monster ini masif aktif melahap materi di sekelilingnya.

Dalam citra tersebut, ada objek gelap yang dikelilingi cahaya. Lubang hitam berada di dalam area gelap tersebut. Tak terlihat karena cahaya tidak bisa lepas dari objek ini, dan gravitasi yang kuat membelokkan cahaya yang melintasinya.  Akibatnya, cahaya mengeliingi lubang hitam dan citra yang diterima memperlihatkan area gelap di tengah. Inilah yang disebut sebagai bayangan lubang hitam.

Bayangan ini bisa diukur dengan teori relativitas umum. Informasi penting inilah yang menjadi kunci untuk menguji teori gravitasi alternatif.

Ketika berada di objek dengan medan gravitasi lemah, maka berlaku teori Newton. Semakin mendekat ke objek yang massanya besar, maka gravitasi semakin kuat sehingga ada efek yang berbeda dari prediksi Newton. Dalam Tata Surya penyimpangan terjadi pada Merkurius.

Semakin mendekati lubang hitam, gravitasi yang sangat kuat menghasilkan efek yang jauh berbeda dari prediksi Newton.

Perbandingan hasil uji coba modifikasi teori gravitasi terhadap hasil pengukuran bayangan lubang hitam. Kredit:D. Psaltis, UArizona; EHT Collaboration
Perbandingan hasil uji coba modifikasi teori gravitasi terhadap hasil pengukuran bayangan lubang hitam. Kredit:D. Psaltis, UArizona; EHT Collaboration

Untuk bisa menggambarkan lubang hitam dan efek yang ditimbulkan oleh gravitasi, digunakan persamaan Einstein. Dari persamaan inilah kita bisa mengetahui bentuk kelengkungan ruang waktu di dekat objek massa besar, dalam hal ini lubang hitam. Tapi, semakin dekat dengan lubang hitam, penyimpangan yang terjadi semakin besar. Untuk itulah ada faktor koreksi gravitasi yang diperhitungkan untuk menjelaskan apa yang terjadi.

Koreksi orde pertama setelah Newton dilakukan oleh Einstein sendiri untuk memahami presesi perihelion Merkurius. Semua uji coba di Tata Surya masuk dalam koreksi gravitasi orde pertama. Di luar itu, apalagi semakin dekat ke lubang hitam, koreksi dilakukan untuk orde berikutnya (kedua, ketiga, dll).

Untuk mengetahui ukuran lubang hitam, informasi yang dibutuhkan adalah massa. Dan jelas massa lubang hitam M87 sudah diketahui yakni 6,5 miliar massa Matahari. Dengan menggunakan persamaan relativitas umum, ukuran bayangan yang sebenarnya bisa diketahui dan ternyata konsisten dengan prediksi Eisntein.

Setelah mengetahui ukuran bayangan lubang hitam, maka bisa diketahui juga besaran nilai parameter koreksi gravitasi setelah orde pertama berdasarkan hasil pengamatan. Parameter ini merupakan batasan atau standar untuk memastikan apakah ukuran bayangan yang diprediksi oleh teori alternatif sesuai dengan ukuran hasil pengamatan.

Jika parameter ini diiterapkan pada teori alternatif dan hasilnya ternyata tidak konsisten dengan ukuran lubang hitam, maka teori tersebut tidak valid.

Lubang hitam adalah laboratorium untuk memahami gravitasi. Di sini kita bisa melihat bagaimana gravitasi mempengaruhi benda di sekelilingnya. Ini penting karena dibandingkan gaya fundamental lainnya, gravitasi merupakan gaya yang belum sepenuhnya kita pahami. Dan dalam fisika, masih banyak pertanyaan yang jawabannya membutuhkan pemahaman lebih baik lagi tentang gravitasi. Contohnya, apakah kita bisa menggabungkan gravitasi dan kuantum, atau bagaimana awal mula pembentukan alam semesta. (Pierre Christian – University of Arizona)


Terima kasih pada Dr. Pierre Christian, Steward Theory Fellow dari University of Arizona, untuk penjelasan dan diskusi terkait makalah Gravitational Test beyond the First Post-Newtonian Order with the Shadow of the M87 Black Hole yang diterbitkan dalam Physical Review Letters 1 Oktober 2020. 

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.