Teori Stephen Hawking soal Lubang Hitam Akhirnya Terbukti Benar

Salah satu teorema Stephen Hawking yang paling terkenal akhirnya terbukti benar. Teorema area lubang hitam tersebut, yang diturunkan Hawking pada tahun 1971 dari teori relativitas umum Einstein, menyatakan bahwa tidak mungkin luas permukaan lubang hitam berkurang seiring waktu.

Aturan dalam teori ini menarik bagi para fisikawan karena terkait erat dengan aturan lain yang tampaknya mengatur waktu untuk berjalan dalam arah tertentu. Aturan yang dimaksud adalah hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi, atau ketidakteraturan, dari sistem tertutup harus selalu meningkat. Karena entropi lubang hitam sebanding dengan luas permukaannya, berarti keduanya harus selalu meningkat.

Dalam studi terbaru, para peneliti fisika terlah mengonfirmasi tentang hukum area lubang hitam Hawking. Anehnya, hukum area ini tampaknya bertentangan dengan teorema fisikawan terkenal lainnya bahwa lubang hitam harus menguap dalam skala waktu yang sangat lama. Jadi, bagi para peneliti, mencari tahu sumber kontradiksi antara kedua teori tersebut dapat mengungkapkan fisika baru.

"Luas permukaan lubang hitam tidak dapat dikurangi, yang seperti hukum kedua termodinamika. Ia juga memiliki kekekalan massa, karena Anda tidak dapat mengurangi massanya, jadi itu analog dengan kekekalan energi," ujar Maximiliano Isi, seorang astrofisikawan di Massachusetts Institute of Technology yang menjadi peneliti utama dalam studi yang telah terbit pada 26 Mei 2021 di Journal Physical Review Letters ini, seperti diberitakan Live Science.

"Awalnya orang-orang seperti 'Wow, itu paralel yang keren,' tapi kami segera menyadari bahwa ini fundamental. Lubang hitam memiliki entropi, dan itu sebanding dengan area mereka. Ini bukan hanya kebetulan yang lucu, ini adalah fakta mendalam tentang dunia yang mereka ungkapkan."

Area permukaan lubang hitam ditentukan oleh perbatasan berbetuk bola yang dikenal sebagai cakrawala peristiwa. Di sekitar luar batas ini tidak ada apa pun yang dapat lolos dari tarikan gravitasinya yang kuat.

Menurut interpretasi Hawking tentang relativitas umum, ketika luas permukaan lubang hitam bertambah seiring dengan massanya, dan karena tidak ada benda yang terisap ke dalam yang dapat keluar, luas permukaannya tidak dapat berkurang. Namun luas permukaan lubang hitam juga menyusut semakin banyak ia berputar. Jadi para peneliti bertanya-tanya apakah mungkin untuk melempar benda ke dalam cukup keras untuk membuat lubang hitam itu berputar cukup untuk mengurangi luasnya.

"Anda akan membuatnya berputar lebih banyak, tetapi tidak cukup untuk mengimbangi massa yang baru saja Anda tambahkan," kata Isi. "Apa pun yang Anda lakukan, massa dan putaran akan membuat Anda mendapatkan area yang lebih besar."

Untuk menguji teori ini, para peneliti menganalisis gelombang-gelombang gravitasi, atau riak-riak dalam struktur ruang-waktu, yang diciptakan 1,3 miliar tahun lalu oleh dua lubang hitam raksasa saat mereka berputar ke arah satu sama lain dengan kecepatan tinggi. Ini adalah gelombang pertama yang pernah terdeteksi pada tahun 2015 oleh Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), sinar laser sepanjang 1.864 mil atau 3.000 kilometer yang mampu mendeteksi distorsi sekecil apa pun dalam ruang-waktu dengan cara mengubah panjang jalurnya.

Dengan membagi gelombang-gelombang gravitasi tersebut menjadi dua bagian –-sebelum dan setelah lubang hitam bergabung-– para peneliti menghitung massa dan putaran dari dua lubang hitam asli dan yang baru bergabung. Angka-angka ini, pada gilirannya, memungkinkan mereka untuk menghitung luas permukaan setiap lubang hitam sebelum dan sesudah tumbukan.

"Saat mereka berputar satu sama lain lebih cepat dan lebih cepat, gelombang-gelombang gravitasi meningkat dalam amplitudo lebih dan lebih sampai mereka akhirnya jatuh ke satu sama lain --membuat ledakan besar gelombang ini," ucap Isi.

"Yang tersisa adalah lubang hitam baru yang berada dalam keadaan tereksitasi ini, yang kemudian dapat Anda pelajari dengan menganalisis bagaimana getarannya. Ini seperti jika Anda membunyikan bel, nada dan durasi spesifik yang dibunyikannya akan memberi tahu Anda struktur dari bel itu, dan juga terbuat dari apa."

Luas permukaan lubang hitam yang baru terbuat terbukti lebih besar dari dua gabungan awal, membenarkan hukum luas Hawking dengan tingkat kepercayaan lebih dari 95%. Menurut para peneliti, hasil mereka cukup sesuai dengan apa yang mereka perkirakan. Teori relativitas umum —dari mana hukum area lubang hitam itu berasal— melakukan pekerjaan yang sangat efektif untuk menggambarkan lubang hitam dan objek-objek skala besar lainnya.