Mini Black Hole

Sejak fisikawan menemukan akselerator partikel, hampir 80 tahun silam, mereka telah menggunakannya untuk tugas-tugas sedemikian eksotis seperti memecah atom, mengubah unsur, menghasilkan antimateri, dan menciptakan partikel-partikel yang sebelumnya tidak teramati di alam. Dengan keberuntungan, mereka dapat segera mengemban sebuah tantangan yang akan membuat pencapaian-pencapaian itu terasa hampir biasa-biasa saja. Akselerator dapat menghasilkan objek paling misterius di alam semesta: black hole.

Saat berpikir tentang black hole, seseorang biasanya membayangkan monster raksasa yang dapat menelan pesawat antariksa, atau bahkan bintang, bulat-bulat. Tapi lubang yang dapat dihasilkan di akselerator berenergi tertinggi—barangkali secepatnya pertengahan tahun 2008, saat Large Hadron Collider (LHC) di CERN dekat Genewa mulai berjalan pada energi penuh—adalah sepupu jauh raksasa astrofisikal tersebut. Mereka akan [berukuran] mikroskopis, sebanding dengan partikel unsur. Mereka tidak akan merobek bintang, tidak akan merajai galaksi, atau menjadi ancaman bagi planet kita, tapi, dalam beberapa hal, sifat mereka semestinya lebih dramatis. Lantaran efek quantum, mereka akan menguap sesaat setelah terbentuk, menerangi detektor partikel layaknya pohon Natal. Dalam pada itu, mereka dapat memberi petunjuk tentang bagaimana ruang-waktu terangkai bersama dan apakah ia mempunyai dimensi lebih tinggi yang tak terlihat.

Pemampatan Ketat

Dalam bentuk modernnya, konsep black hole muncul dari teori relativitas umum Einstein, yang memprediksikan bahwa jika materi cukup termampatkan, gravitasinya akan menjadi begitu kuat sehingga membentuk kawasan ruang yang darinya segala sesuatu tidak dapat melarikan diri. Batas kawasan tersebut adalah horison peristiwa (event horizon)-nya black hole: objek-objek dapat jatuh masuk, tapi tak ada yang bisa keluar. Dalam kasus paling sederhana, di mana ruang tidak mempunyai dimensi tersembunyi atau dimensi yang lebih kecil daripada lubang, ukurannya persis proporsional dengan massanya. Bila Anda memampatkan matahari sampai beradius 3 kilometer, kurang lebih seperempat juta kali dari ukurannya sekarang, ia akan menjadi black hole. Adapun Bumi bila ingin mengalami nasib yang sama, Anda harus memampatkannya sampai beradius 9 milimeter, menyusut semiliar kali dari ukurannya sekarang.

Kisah Dua Black Hole

Black hole astrofisikal dianggap sebagai mayat bintang masif yang kolaps akibat bobotnya sendiri. Sewaktu materi jatuh ke dalamnya, ia bertindak seperti pembangkit hidrolistrik kosmik, melepaskan energi potensial gravitasi—satu-satunya sumber tenaga yang dapat menerangkan sinar X intens dan jet gas yang dilihat astronom menyembur dari sistem-sistem angkasa seperti biner (pasangan) sinar X yang ditunjukkan di sini.

Black hole mikroskopis mempunyai massa sampai seukuran asteroid besar. Ia mungkin terkocok oleh kolapsnya materi di awal big bang. Jika ruang memiliki dimensi-dimensi tambahan yang tak terlihat, ia juga dapat terbentuk oleh tubrukan partikel energetik di alam semesta hari ini. Daripada menelan materi, ia melepaskan radiasi dan membusuk dengan cepat

Oleh karena itu, semakin kecil lubangnya,semakin tinggi derajat pemampatan yang dibutuhkan untuk menciptakannya. Densitas keterperasan materi proporsional dengan kuadrat terbalik massa. Untuk sebuah lubang bermassa matahari, densitasnya adalah sekitar 1019 kilogram/meter3, lebih tinggi daripada nukleus atom. Densitas sedemikian hampir merupakan yang tertinggi yang dapat dihasilkan melalui kekolapsan gravitasi di alam semesta sekarang. Benda yang lebih ringan dari matahari menolak kolaps lantaran distabilkan oleh gaya tolak quantum di antara partikel-partikel sub-atom. Menurut pengamatan, black hole teringan adalah sekitar 6 massa matahari.

Overview: Pabrik Black Hole

Black hole tidak pasti merupakan monster raksasa rakus. Teori mengindikasikan bahwa mereka bisa memiliki beraneka ragam ukuran, beberapa bahkan lebih kecil daripada partikel subatom. Lubang kecil dibobrokkan oleh efek quantum, dan yang paling kecil akan meledak hampir sesaat setelah mereka terbentuk. 

Para teoris belakangan mengajukan bahwa black hole kecil dapat terbentuk dalam tubrukan-tubrukan di alam semesta sekarang, bahkan di Bumi. Mereka berpikir bahwa energi yang diperlukan terlalu tinggi, tapi jika ruang mempunyai dimensi tambahan deng an atribut yang tepat, maka ambang energi untuk produksi black hole jauh lebih rendah. Bila demikian, lubang-lubang dapat diproduksi oleh Large Hadron Collider (LHC) di CERN dan dalam tubrukan sinar kosmik di atmosfer. Fisikawan dapat menggunakan lubang-lubang ini untuk menyelidiki dimensi ruang tambahan. 

Black hole kecil dapat tersisa dari tahap awal big bang, dan astronom mungkin bisa mendeteksi beberapa dari mereka yang meledak hari ini.

Namun, kekolapsan bintang bukanlah satu-satunya cara terbentuknya lubang. Pada awal 1970-an, Stephen Hawking dari Universitas Cambridge dan salah seorang dari kami (Carr) menyelidiki mekanisme untuk menghasilkan lubang di alam semesta awal. Lubang-lubang ini diistilahkan sebagai black hole “primordial”. Begitu alam semesta mengembang, densitas rata-rata materi menurun; karena itu, densitasnya jauh lebih tinggi di masa lampau, pada level nuklir luar biasa di mikrodetik pertama big bang. Hukum-hukum fisika yang kita kenal memperkenankan suatu densitas materi mencapai apa yang disebut harga Planck, 1097 kilogram/meter3—densitas di mana kekuatan gravitasi menjadi begitu kuat sehingga fluktuasi mekanika quantum dapat menghancurkan struktur ruang-waktu. Densitas setinggi itu cukup untuk menciptakan black hole beradius 10-35 meter (ukuran yang dikenal sebagai panjang Planck) dengan massa 10-8 kilogram (massa Planck).

Ini adalah black hole teringan menurut gambaran gravitasi konvensional. Ini jauh lebih masif, tapi lebih kecil dalam hal ukuran, dibanding partikel unsur. Black hole primordial yang semakin lama semakin berat boleh jadi terbentuk selagi densitas kosmos jatuh. Black hole yang kurang dari 1012 kilogram masih lebih kecil dibanding proton, tapi melampaui massa ini lubang akan sebesar objek-objek fisik yang lebih familiar. Pembentukan sewaktu densitas kosmos cocok dengan densitas nuklir akan menghasilkan massa yang sebanding dengan massa matahari dan akan makroskopis.

Densitas tinggi alam semesta awal merupakan prasyarat untuk pembentukan black hole primordial, tapi tidak menjamin. Agar sebuah kawasan berhenti mengembang dan kolaps menjadi black hole, ia harus lebih padat dari rata-rata,

, setidaknya pada skala besar, kalau tidak, struktur-struktur seperti galaksi dan kluster galaksi tidak akan pernah bergabung. Agar black hole primordial terbentuk, fluktuasi pada skala lebih kecil harus lebih kuat daripada di skala yang besar, yang mungkin tak terelakkan. Sekalipun tanpa fluktuasi, lubang-lubang dapat terbentuk secara spontan pada berbagai transisi fase kosmologis—contohnya, ketika alam semesta mengakhiri periode awal laju perluasannya, yang dikenal sebagai inflasi, atau pada masa densitas nuklir, ketika partikel-partikel seperti proton berkondensasi dari sup konstituen quarknya. Tentu saja, para kosmolog dapat menempatkan batasan penting pada model alam semesta awal dari fakta bahwa materi yang berakhir di black hole primordial tidak terlalu banyak.

Pergi lalu Menghilang

Kesadaran bahwa lubang-lubang ini boleh jadi berukuran kecil telah mendorong Hawking untuk mempertimbangkan efek quantum apa yang mungkin muncul, dan di tahun 1974 dia sampai pada kesimpulan terkenalnya bahwa black hole tidak hanya menelan partikel-partikel tapi juga meludahkannya. Hawking memprediksikan bahwa lubang beradiasi secara termal seperti batu bara panas, dengan temperatur yang proporsional terbalik terhadap massanya. Untuk lubang seberat satu massa solar, temperaturnya adalah sekitar sepersejuta kelvin, yang sama sekali sepele di alam semesta hari ini. Tapi untuk black hole seberat 1012 kilogram, hampir setara dengan massa sebuah gunung, temperaturnya 1012 kelvin—cukup panas untuk mengeluarkan partikel tak bermasa seperti photon, maupun partikel bermassa seperti elektron dan positron.

Karena emisi tersebut membawa lari energi, massa lubang cenderung menurun. Akibatnya black hole sangat tidak stabil. Saat menyusut, ia terus memanas, mengeluarkan partikel-partikel yang semakin energetik dan menyusut semakin cepat. Ketika lubang mengerut hingga bermassa sekitar 106 kilogram, permainan habis: dalam satu detik, ia meledak dengan energi bom nuklir sejuta megaton. Total waktu bagi black hole untuk menguap adalah proporsional dengan pangkat tiga dari massa awalnya. Untuk lubang seberat satu massa solar, usia hidupnya adalah sepanjang 1064 tahun, tidak bisa diamati. Untuk lubang seberat 1012 kilogram, usia hidupnya adalah 1010 tahun—hampir seusia dengan umur alam semesta. Karenanya, black hole primordial dengan massa ini pasti sedang menyelesaikan penguapan dan meledak saat ini. Black hole primordial yang lebih kecil pasti telah menguap selama masa kosmologis awal.