PENNSYLVANIA — Tim ilmuwan dari Penn State University mengembangkan pendekatan baru untuk memahami sifat lubang hitam yang diyakini mampu menyempurnakan teori termodinamika lubang hitam yang diperkenalkan fisikawan Stephen Hawking lebih dari 50 tahun lalu.
Hasil penelitian tersebut membuka peluang baru bagi para ilmuwan untuk mempelajari bagaimana lubang hitam terbentuk, bertumbuh, bergabung dengan lubang hitam lain, hingga perlahan menguap. Selama ini, teori Hawking dinilai hanya mampu menjelaskan lubang hitam yang berada dalam kondisi stabil, padahal objek kosmik itu terus mengalami perubahan sepanjang siklus hidupnya.
Lubang hitam merupakan salah satu objek paling ekstrem di alam semesta. Massa yang sangat besar terkonsentrasi pada ruang yang sangat kecil sehingga menghasilkan gaya gravitasi yang begitu kuat. Tarikan gravitasinya bahkan mampu menahan cahaya sehingga tidak ada apa pun yang dapat keluar setelah melewati batas tertentu.
Untuk memahami fenomena tersebut, para ilmuwan menggabungkan teori relativitas umum Albert Einstein dengan mekanika kuantum. Pada awal 1970-an, Stephen Hawking berhasil menunjukkan bahwa lubang hitam ternyata memiliki sifat yang mirip dengan sistem termodinamika, yakni memiliki suhu dan entropi atau ukuran tingkat ketidakteraturan suatu sistem.
Konsep itu kemudian menjadi salah satu tonggak penting dalam fisika modern karena berhasil menghubungkan teori gravitasi dengan mekanika kuantum.
Namun, menurut pemimpin penelitian, Abhay Ashtekar, teori Hawking memiliki keterbatasan karena hanya berlaku untuk lubang hitam yang berada dalam kondisi kesetimbangan.
“Hukum mekanika lubang hitam Hawking menjadi paradigma selama hampir lima dekade, tetapi teori itu hanya menjelaskan lubang hitam yang tidak berubah. Padahal lubang hitam terus mengalami proses pembentukan, penggabungan, hingga penguapan,” kata Ashtekar.
Berangkat dari keterbatasan tersebut, tim peneliti mengembangkan cara baru untuk menghitung entropi lubang hitam. Dalam ilmu fisika, entropi merupakan besaran yang menggambarkan tingkat ketidakteraturan suatu sistem dan berdasarkan hukum kedua termodinamika nilainya tidak dapat berkurang.
Penelitian yang dipublikasikan dalam jurnal *Physical Review Letters* itu memperkenalkan ukuran entropi yang lebih erat kaitannya dengan energi dan kecepatan putar lubang hitam. Pendekatan tersebut diyakini lebih mampu menggambarkan kondisi lubang hitam yang terus berubah.
Penulis penelitian, Daniel E. Paraizo, menjelaskan bahwa pada awalnya para ilmuwan menganggap lubang hitam hanya mampu menyerap energi sehingga memiliki suhu nol. Anggapan tersebut membuat lubang hitam tampak bertentangan dengan hukum termodinamika.
Pandangan itu berubah setelah Stephen Hawking membuktikan melalui teori mekanika kuantum bahwa lubang hitam ternyata dapat memancarkan partikel dan energi. Fenomena tersebut kemudian dikenal sebagai Radiasi Hawking dan menjadi salah satu penemuan paling penting dalam kajian fisika teoretis.
Hawking juga menunjukkan bahwa luas batas terluar lubang hitam atau event horizon berhubungan langsung dengan nilai entropinya, sedangkan suhu lubang hitam ditentukan oleh massa dan momentum putarnya.
Meski demikian, tim Penn State menemukan bahwa pendekatan tersebut tidak lagi akurat ketika lubang hitam mengalami perubahan yang sangat cepat, seperti saat bertabrakan, menyerap materi dalam jumlah besar, atau mulai kehilangan massa akibat penguapan.
Peneliti Jonathan Shu menjelaskan bahwa penggunaan event horizon sebagai acuan memiliki kelemahan karena bergantung pada kondisi yang akan terjadi di masa depan. Akibatnya, pendekatan tersebut sulit digunakan untuk menggambarkan kondisi fisik lubang hitam yang sedang berubah secara dinamis.
Sebagai alternatif, para peneliti menggunakan konsep dynamical horizon atau cakrawala dinamis. Berbeda dengan event horizon, konsep ini hanya bergantung pada kondisi lubang hitam pada saat tertentu sehingga lebih sesuai digunakan untuk mempelajari perubahan yang sedang berlangsung.
Konsep tersebut sebenarnya telah banyak digunakan dalam simulasi komputer mengenai evolusi lubang hitam. Kini, pendekatan itu dikembangkan sebagai dasar baru dalam menghitung entropi sehingga hukum termodinamika dapat diterapkan pada lubang hitam yang tidak berada dalam kondisi stabil.
Menurut Ashtekar, pendekatan baru ini memungkinkan ilmuwan memperluas penerapan hukum pertama dan kedua termodinamika pada lubang hitam dinamis yang sebelumnya belum dapat dijelaskan secara memadai.
Temuan tersebut diharapkan dapat membantu para ilmuwan memahami berbagai fenomena kosmik yang menjadi fokus penelitian astronomi modern, termasuk proses penggabungan lubang hitam yang menghasilkan gelombang gravitasi seperti yang berhasil dideteksi kolaborasi LIGO, Virgo, dan KAGRA.
Selain memberikan pemahaman baru mengenai evolusi lubang hitam, penelitian ini juga dinilai menjadi langkah penting dalam upaya menyatukan teori relativitas umum dan mekanika kuantum, dua fondasi utama fisika modern yang hingga kini masih menjadi tantangan terbesar dalam dunia sains.
(Penelitian ini didukung oleh Program Atherton Professorship Penn State serta Eberly College of Science, Penn State.)
