Apakah Oppenheimer, bapak bom atom, juga bapak lubang hitam?

Sebelum menjadi “bapak bom atom”, J. Robert Oppenheimer memberikan kontribusi yang signifikan pada ilmu pengetahuan tentang lubang hitam.

Oppenheimer akan selamanya, baik atau buruk, dikaitkan dengan kekuatan penghancur yang luar biasa dari bom atom dan gambar awan jamur, simbol kehancuran yang mirip dengan Alkitab. Asosiasi itu hanya akan menguat di mata publik dengan rilis “Oppenheimer” hari ini (21 Juli), biopik Christopher Nolan yang sangat dinantikan tentang fisikawan.

En parallèle : Pemerintah Kongres di Chhattisgarh selamat dari mosi tidak percaya yang digerakkan oleh BJP

Namun sebelum melakukan perjalanan ke Los Alamos, New Mexico, pada tahun 1942 untuk berkontribusi pada pengembangan bom atom, Oppenheimer adalah seorang ahli fisika teoretis yang berfokus pada fisika kuantum.

Pada tahun 1939, dia dan koleganya di University of California, Berkeley Hartland S. Snyder menerbitkan makalah perintis berjudul “On Continued Gravitational Contraction,” yang menggunakan persamaan teori gravitasi Albert Einstein, relativitas umum, untuk menunjukkan bagaimana lubang hitam bisa lahir.

Lire également : Sony vende mais de 40 milhões de unidades do PlayStation 5

“Oppenheimer mengusulkan model keruntuhan pertama untuk menggambarkan bagaimana sebuah bintang bisa runtuh menjadi lubang hitam,” kata Xavier Calmet, seorang profesor fisika di University of Sussex di Inggris, kepada 45secondes.fr. “Model ini menjelaskan pembentukan lubang hitam sebagai proses astrofisika dinamis, tahap akhir dari evolusi bintang yang cukup berat. Model ini masih digunakan sampai sekarang.”

Terkait: Trailer ‘Oppenheimer’ mengungkap Cillian Murphy sebagai pembuat bom jenius di Proyek Manhattan

Calmet mengatakan bahwa dia baru-baru ini menggunakan model itu sendiri, dalam sebuah makalah yang menggambarkan keruntuhan lubang hitam saat mempertimbangkan gravitasi kuantum.

“Model ini sangat signifikan karena dapat dipecahkan secara analitik — penyelesaian persamaan dapat dilakukan dengan pena dan kertas dan tidak memerlukan pekerjaan numerik. Dengan demikian, semua fisika dapat dilacak dengan mudah,” katanya. “Namun, terlepas dari kesederhanaannya dan bahkan mungkin kekasarannya, itu cukup kompleks untuk menggambarkan banyak fitur bintang yang runtuh.”

Ironisnya, ketika Oppenheimer dan Snyder bekerja di atas kertas, yang sangat bergantung pada teori relativitas umum 1915, bapak teori itu, Einsten, sendiri menyelesaikan penelitian yang bertujuan untuk menunjukkan bahwa lubang hitam tidak mungkin ada.

Sejarah akan menunjukkan bahwa Oppenheimer benar tentang lubang hitam, tentu saja.

Terkait: Albert Einstein: Kehidupannya, teorinya, dan pengaruhnya terhadap sains

Oppenheimer mendorong batas

Delapan tahun sebelum teori Oppenheimer tentang keruntuhan bintang dan kelahiran lubang hitam, fisikawan teoretis lainnya memikirkan tentang apa yang terjadi ketika bintang kehabisan bahan bakar untuk fusi nuklir.

Ketika bahan bakar ini habis, sebuah bintang tidak dapat lagi menopang dirinya dari keruntuhan gravitasi. Sementara lapisan terluar bintang terkelupas, intinya berkontraksi dengan cepat, meninggalkan sisa bintang yang eksotis. Sifat sisa bergantung pada massa inti bintang.

Fisikawan India-Amerika Subrahmanyan Chandrasekhar menyadari bahwa, untuk inti bintang dengan massa kurang dari 1,4 kali massa matahari, keruntuhan gravitasi akan berhenti karena efek kuantum yang mencegah partikel “terjepit” terlalu berdekatan.

Ini kemudian dikenal sebagai batas Chandrasekhar, dan bintang mana pun di bawahnya – kecuali bintang tersebut memiliki pendamping bintang yang memberinya makan – pasti akan mengakhiri keberadaannya sebagai sisa bintang yang membara yang disebut katai putih. Itulah nasib bintang kita, matahari, setelah menghabiskan hidrogen pada intinya dalam waktu sekitar 5 miliar tahun.

Terkait: Kapan matahari akan mati?

Untuk inti bintang setidaknya 1,4 kali lebih masif dari matahari, ada cukup tekanan, dan dengan demikian panas, yang dihasilkan selama keruntuhan gravitasi sehingga serangan fusi nuklir lebih lanjut dapat dipicu, dengan helium yang diciptakan oleh fusi hidrogen itu sendiri menempa unsur-unsur yang lebih berat seperti nitrogen, oksigen, dan karbon.

Bintang-bintang paling masif mengalami serangkaian keruntuhan dan serangan fusi nuklir ini. Tetapi Oppenheimer dan murid-muridnya ingin tahu ke mana arah jalur keruntuhan gravitasi ini dan, dengan demikian, bagaimana keadaan akhir dari bintang-bintang terbesar di alam semesta.

Jawaban ini sudah disampaikan oleh seorang fisikawan Jerman pada tahun 1916. Oppenheimer hanya perlu mencari tahu bagaimana menuju ke sana.

Dua kelahiran lubang hitam

Pada tahun 1915, saat bertugas di garis depan dengan tentara Jerman selama Perang Dunia Pertama, astronom Karl Schwarzschild mendapatkan salinan teori relativitas umum Einstein. Secara mengejutkan, dan mengejutkan Einstein, di bawah kondisi yang sangat keras ini, Schwarzschild berhasil menghitung solusi matematis yang tepat untuk persamaan bidang relativitas umum.

Dalam solusi ini mengintai dua hal yang mengganggu — tempat yang dikenal sebagai “singularitas” di mana fisika seperti yang kita kenal benar-benar rusak. Singularitas ini menunjukkan keberadaan objek dengan gravitasi yang sangat kuat sehingga dapat “menelan” cahaya.

Salah satu singularitas dianggap sebagai singularitas koordinat, yang dapat dihilangkan dengan sedikit manipulasi matematis. Singularitas koordinat ini kemudian dikenal sebagai radius Schwarzschild – titik di mana gravitasi suatu benda menjadi begitu besar sehingga kecepatan yang diperlukan untuk melepaskan diri dari cengkeramannya lebih besar daripada kecepatan cahaya.

Permukaan penangkap cahaya satu arah ini disebut “cakrawala peristiwa”, dan mewakili batas luar lubang hitam.

Singularitas lainnya, singularitas sejati atau gravitasi, tidak dapat ditangani secara matematis. Tidak ada yang bisa menghilangkannya, jadi itu adalah, dan masih, titik di mana fisika benar-benar rusak — jantung lubang hitam.

Itu adalah kelahiran teoretis dari konsep lubang hitam, tetapi tidak mengatakan apa-apa tentang penciptaan raksasa kosmik ini — hanya saja mereka bisa eksis.

Sementara Einstein bekerja keras pada tahun 1939 untuk menghancurkan singularitas gravitasi ini, dan dengan demikian konsep lubang hitam, Oppenheimer menyelidiki bagaimana objek semacam itu bisa ada.

Bekerja dengan asumsi sederhana yang mengabaikan efek kuantum dan tidak mempertimbangkan rotasi, Oppenheimer membuat Snyder bekerja. Dan ini terbayar ketika peneliti terakhir menemukan bahwa apa yang tampaknya terjadi pada bintang yang runtuh bergantung pada sudut pandang pengamat.

Snyder berteori bahwa, pada jarak tertentu dari bintang yang runtuh, cahaya dari sumber yang dekat dengan cakrawala peristiwa akan memiliki panjang gelombang yang diregangkan oleh gravitasi, sebuah proses yang disebut pergeseran merah, yang membuatnya semakin merah.

Pada saat yang sama, frekuensi cahaya ini berkurang dari sudut pandang pengamat. Pengurangan frekuensi ini berlanjut hingga, bagi pengamat jauh, cahaya secara efektif “dibekukan”.

Oppenheimer dan kolaborator menyadari ceritanya sangat berbeda bagi seorang pengamat yang cukup malang untuk jatuh bersama permukaan bintang yang runtuh. Pengamat dalam posisi ini akan berada di luar cakrawala peristiwa tanpa memperhatikan sesuatu yang signifikan tentangnya.

Tentu saja, pada kenyataannya, seorang pengamat akan “spaghetified” oleh gaya pasang surut yang kuat yang disebabkan oleh perbedaan tarikan gravitasi pada tubuh bagian atas dan bawahnya. Ini akan membunuh mereka sebelum mereka mencapai cakrawala peristiwa, setidaknya untuk lubang hitam yang lebih kecil, di mana radius Schwarzschild dekat dengan singularitas gravitasi.

Konsep ini awalnya disebut sebagai “bintang beku” karena pembekuan cahaya yang terlihat di horizon peristiwa. Itu tidak akan menerima nama yang lebih akrab dan tajam sampai tahun 1967, ketika fisikawan Universitas Princeton John Wheeler menciptakan istilah “lubang hitam” selama kuliah.

Oppenheimer dan rekannya mungkin mengambil jalan yang berbeda dari Schwarzschild, tetapi tetap saja, kedua tim fisikawan itu tiba di tujuan yang sama: konsep benda bintang yang begitu masif sehingga gravitasinya menjebak cahaya dan menyebabkan pergeseran merah yang tak terbatas. Schwarzschild memiliki teorinya, tetapi Oppenheimer dan rekannya adalah ilmuwan pertama yang benar-benar memahami kelahiran fisik lubang hitam.

Tiga tahun kemudian, Oppenheimer melakukan perjalanan ke Los Alamos, mengukuhkan tempatnya dalam sejarah dan persepsi publik. Tetapi banyak, terutama para ilmuwan, mengingatnya sebagai bapak lubang hitam.

“Oppenheimer memberikan kontribusi yang sangat signifikan terhadap fisika lubang hitam dan fisika secara keseluruhan,” Calmet menyimpulkan. “Sementara masyarakat umum mungkin mengaitkan namanya dengan bom dan Proyek Manhattan, kontribusinya pada fisika dan astrofisika sangat diapresiasi oleh komunitas ilmiah.

“Dia adalah salah satu fisikawan terkemuka selama masa hidupnya dan sangat berpengaruh, dan karya seminalnya masih relevan sampai sekarang.”