Dalam ruang lubang hitam yang kusut, dua teori asas mengenai dunia kita bertembung. Adakah lubang hitam benar-benar wujud? Nampaknya ya. Bolehkah masalah mendasar yang timbul setelah pemeriksaan lubang hitam dapat diselesaikan? Tidak diketahui. Untuk memahami apa yang dihadapi oleh saintis, anda harus menyelami sejarah kajian objek-objek yang tidak biasa ini. Dan kita akan bermula dengan fakta bahawa dari semua kekuatan yang ada dalam fizik, ada satu kekuatan yang sama sekali tidak kita fahami: graviti.
Graviti adalah persimpangan asas fizik dan astronomi, sempadan di mana dua teori paling mendasar yang menggambarkan dunia kita bertabrakan: teori kuantum dan teori Einstein mengenai ruang-waktu dan graviti, aka relativiti umum.
Lubang hitam dan graviti
Kedua-dua teori ini nampaknya tidak sesuai. Dan itu tidak menjadi masalah. Mereka wujud di dunia yang berbeza, mekanik kuantum menerangkan sangat kecil, dan relativiti umum menggambarkan sangat besar.
Hanya apabila anda mencapai skala yang sangat kecil dan graviti yang melampau, kedua-dua teori itu bertembung dan entah bagaimana salah satu daripadanya ternyata salah. Walau apa pun, ia mengikut teori.
Tetapi ada satu tempat di alam semesta di mana kita sebenarnya dapat menyaksikan masalah ini, dan bahkan mungkin menyelesaikannya: tepi lubang hitam. Di sinilah kita bertemu dengan graviti yang paling melampau. Tetapi ada satu masalah: tidak ada yang pernah "melihat" lubang hitam.
Video promosi:
Apa itu lubang hitam?
Bayangkan bahawa semua drama di dunia fizikal berlangsung di teater ruang-waktu, tetapi graviti adalah satu-satunya kekuatan yang benar-benar mengubah teater di mana ia dimainkan.
Kekuatan graviti menguasai alam semesta, tetapi mungkin juga bukan kekuatan dalam pengertian tradisional. Einstein menyifatkannya sebagai akibat ubah bentuk ruang-waktu. Dan mungkin ia tidak sesuai dengan Model Piawai fizik zarah.
Apabila bintang yang sangat besar meletup pada akhir hayatnya, bahagian dalamnya runtuh di bawah graviti sendiri, kerana tidak ada lagi bahan bakar yang cukup untuk mengekalkan tekanan terhadap graviti. Lagipun, graviti masih mampu memberikan kekuatan, sepertinya seperti ini.
Perkara runtuh dan tidak ada kekuatan di alam yang dapat meninggalkan keruntuhan ini.
Sepanjang masa yang tidak terhingga, bintang runtuh menjadi titik tak terbatas: satu singulariti, atau sebut saja lubang hitam. Tetapi dalam waktu yang terbatas, tentu saja, inti bintang akan runtuh menjadi dimensi yang terbatas, dan masih akan mempunyai jisim yang besar di kawasan yang sangat kecil. Dan ia juga akan disebut lubang hitam.
Lubang hitam tidak menyedut segala-galanya
Hebatnya, idea bahawa lubang hitam pasti menyedot segala sesuatu ke dalam dirinya adalah salah.
Sebenarnya, sama ada anda mengorbit bintang atau lubang hitam yang terbentuk dari bintang, tidak menjadi masalah selagi jisimnya tetap sama. Kekuatan sentrifugal kuno yang baik dan momentum sudut anda akan memastikan anda selamat dan mengelakkan anda jatuh.
Hanya apabila anda menggunakan brek roket untuk mengganggu putaran, anda mula jatuh ke dalam.
Tetapi, sebaik sahaja anda mula jatuh ke dalam lubang hitam, anda akan secara beransur-ansur mempercepat ke kelajuan yang lebih tinggi sehingga akhirnya anda mencapai kelajuan cahaya.
Mengapa teori kuantum dan relativiti umum tidak serasi?
Pada masa ini, semuanya akan pecah-pecah, kerana sesuai dengan relativiti umum, tidak ada yang dapat bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya.
Cahaya adalah substrat yang digunakan di dunia kuantum untuk bertukar daya dan mengangkut maklumat ke makrokosmos. Cahaya menentukan seberapa cepat anda dapat menghubungkan sebab dan akibat. Sekiranya anda bergerak lebih pantas daripada cahaya, anda dapat melihat peristiwa dan mengubah sesuatu sebelum kejadian berlaku. Dan ini mempunyai dua akibat:
- Pada titik di mana anda mencapai kelajuan cahaya dengan jatuh ke dalam, anda juga perlu terbang dari titik itu dengan kelajuan yang lebih tinggi, yang nampaknya mustahil. Oleh itu, kebijaksanaan fizikal konvensional akan memberitahu anda bahawa tidak ada yang dapat meninggalkan lubang hitam dengan memecahkan halangan ini, yang juga kita namakan sebagai "cakrawala peristiwa."
- Ini juga menunjukkan bahawa prinsip asas pemuliharaan maklumat kuantum tiba-tiba dilanggar.
Adakah ini benar dan bagaimana kita dapat mengubah teori graviti (atau fizik kuantum) adalah soalan yang banyak dijumpai oleh ahli fizik. Dan tidak ada antara kita yang dapat mengatakan hujah mana yang akan kita hadapi.
Adakah lubang hitam wujud?
Jelas, semua kegembiraan ini akan dibenarkan hanya jika lubang hitam benar-benar wujud di alam semesta ini. Jadi adakah mereka wujud?
Pada abad yang lalu, telah terbukti secara meyakinkan bahawa beberapa bintang binari dengan sinar-X yang kuat sebenarnya adalah bintang yang telah runtuh menjadi lubang hitam.
Lebih-lebih lagi, di pusat galaksi, kita sering menemui bukti kepekatan jisim gelap yang besar. Ini mungkin merupakan versi lubang hitam supermasif, kemungkinan terbentuk oleh penggabungan banyak bintang dan awan gas yang menjunam ke pusat galaksi.
Bukti itu kukuh tetapi tidak langsung. Gelombang graviti membolehkan kita sekurang-kurangnya "mendengar" penggabungan lubang hitam, tetapi tanda-tanda cakrawala peristiwa masih sukar difahami dan kita tidak pernah "melihat" lubang hitam hingga sekarang - mereka terlalu kecil, terlalu jauh dan, dalam kebanyakan kes, terlalu hitam.
Seperti apa lubang hitam?
Sekiranya anda melihat secara langsung ke lubang hitam, anda akan melihat kegelapan paling gelap yang dapat dibayangkan.
Tetapi sekeliling lubang hitam boleh menjadi cukup terang kerana gas berputar ke dalam - perlahan kerana rintangan medan magnet yang mereka bawa.
Oleh kerana geseran magnetik, gas dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi beberapa puluhan bilion darjah dan mula memancarkan sinar ultraviolet dan sinar-X.
Elektron ultra panas yang berinteraksi dengan medan magnet di dalam gas mula menghasilkan pancaran radio yang kuat. Oleh itu, lubang hitam dapat bersinar dan dapat dikelilingi oleh cincin api yang memancarkan pada panjang gelombang yang berbeza.
Cincin api dengan pusat hitam-hitam
Namun, tepat di tengah-tengah, cakrawala peristiwa menangkap, seperti burung mangsa, setiap foton yang terlalu dekat.
Oleh kerana ruang melengkung oleh jisim besar lubang hitam, jalur cahaya juga membengkok dan bahkan membentuk bulatan hampir sepusat di sekitar lubang hitam, seperti serpentin di sekitar lembah yang dalam. Cahaya kesan cahaya ini dikira pada awal tahun 1916 oleh ahli matematik terkenal David Hilbert hanya beberapa bulan setelah Albert Einstein menyelesaikan teori relativiti umum.
Setelah melintasi lubang hitam berkali-kali, sebilangan sinar dapat melarikan diri, sementara yang lain akan berakhir di cakerawala peristiwa. Di jalan cahaya yang rumit ini, anda dapat melihat lubang hitam secara harfiah. Dan "apa-apa" yang kelihatan di mata anda akan menjadi cakrawala peristiwa.
Sekiranya anda mengambil gambar lubang hitam, anda akan melihat bayangan hitam yang dikelilingi oleh kabut cahaya yang bercahaya. Kami memanggil ciri ini sebagai bayangan lubang hitam.
Hebatnya, bayangan ini nampaknya lebih besar daripada yang diharapkan jika kita mengambil garis pusat cakrawala peristiwa sebagai asalnya. Sebabnya adalah bahawa lubang hitam bertindak seperti lensa gergasi, menguatkan dirinya sendiri.
Persekitaran bayangan akan diwakili oleh "cincin foton" kecil kerana cahaya yang berputar di sekitar lubang hitam hampir selama-lamanya. Di samping itu, anda akan melihat lebih banyak cincin cahaya muncul di dekat cakrawala acara, tetapi tertumpu di sekitar bayang-bayang lubang hitam kerana kesan lensa.
Fantasi atau realiti?
Mungkinkah lubang hitam menjadi penemuan sebenar yang hanya dapat dimodelkan pada komputer? Atau bolehkah anda melihatnya dalam praktik? Jawapan: mungkin.
Terdapat dua lubang hitam supermasif yang berdekatan di alam semesta yang begitu besar dan dekat sehingga bayang-bayangnya dapat ditangkap menggunakan teknologi moden.
Di pusat Bima Sakti kita, terdapat lubang hitam sejauh 26.000 tahun cahaya dengan jisim 4 juta kali jisim Matahari dan lubang hitam di galaksi elips raksasa M87 (Messier 87) dengan jisim 3-6 bilion massa suria.
M87 adalah seribu kali lebih jauh, tetapi seribu kali lebih besar dan seribu kali lebih besar, jadi kedua-dua objek akan memiliki diameter bayang-bayang yang sama yang diproyeksikan ke langit.
Lihat sebiji biji sawi di New York dari Eropah
Secara kebetulan, teori radiasi sederhana meramalkan bahawa untuk kedua-dua objek tersebut, radiasi yang dihasilkan di dekat cakrawala peristiwa akan dipancarkan pada frekuensi radio 230 Hz ke atas.
Sebilangan besar dari kita hanya menemui frekuensi ini ketika kita perlu melalui pengimbas di lapangan terbang moden. Lubang hitam sentiasa berenang di dalamnya.
Sinaran ini mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek - mengikut urutan milimeter - yang mudah diserap oleh air. Agar teleskop dapat mengamati gelombang milimeter kosmik, ia mesti diletakkan tinggi di gunung kering untuk menghindari penyerapan radiasi di troposfer Bumi.
Pada dasarnya, kita memerlukan teleskop milimeter yang dapat melihat objek sebesar biji sawi di New York dari suatu tempat di Belanda. Teleskop ini akan seribu kali lebih tajam daripada Teleskop Angkasa Hubble, dan pada panjang gelombang milimeter, ukuran teleskop seperti itu akan menjadi Lautan Atlantik atau lebih besar.
Teleskop maya seukuran Bumi
Nasib baik, kita tidak perlu menutup Bumi dengan satu piring radio, kerana kita dapat membuat teleskop maya dengan resolusi yang sama dengan menggabungkan data dari teleskop di gunung yang berlainan di sekitar Bumi.
Teknik ini dipanggil sintesis apertur dan interferometri asas yang sangat panjang (VLBI). Ideanya cukup lama dan terbukti selama beberapa dekad, tetapi sekarang hanya mungkin untuk menerapkannya pada frekuensi radio tinggi.
Eksperimen pertama yang berjaya menunjukkan bahawa struktur cakrawala peristiwa dapat diselidiki pada frekuensi tersebut. Sekarang ada semua yang anda perlukan untuk melakukan eksperimen sedemikian dalam skala besar.
Kerja sudah dijalankan
Projek BlackHoleCam adalah projek Eropah untuk gambaran, pengukuran dan pemahaman utama mengenai lubang hitam astrofizik. Projek Eropah adalah sebahagian daripada kolaborasi global - konsortium Teleskop Event Horizon, yang merangkumi lebih daripada 200 saintis dari Eropah, Amerika, Asia dan Afrika. Bersama-sama mereka ingin mengambil gambar pertama lubang hitam.
Pada bulan April 2017, mereka melihat pusat galaksi dan M87 dengan lapan teleskop di enam gunung yang berbeza di Sepanyol, Arizona, Hawaii, Mexico, Chile dan Kutub Selatan.
Semua teleskop dilengkapi dengan jam atom tepat untuk menyegerakkan data mereka dengan tepat. Para saintis mencatat beberapa data mentah petabyte, berkat keadaan cuaca yang sangat baik di seluruh dunia pada masa itu.
Foto lubang hitam
Sekiranya para saintis berjaya melihat cakrawala peristiwa, mereka akan mengetahui bahawa masalah yang timbul di persimpangan teori kuantum dan relativiti umum tidak abstrak, tetapi sangat nyata. Mungkin ketika itulah mereka dapat diselesaikan.
Ini dapat dilakukan dengan mendapatkan gambaran yang lebih jelas tentang bayang-bayang lubang hitam, atau dengan mengesan bintang dan pulsar yang bergerak di sekitar lubang hitam, menggunakan semua kaedah yang ada untuk mengkaji objek-objek ini.
Mungkin lubang hitam akan menjadi makmal eksotik kita pada masa akan datang.
Ilya Khel
