Ilustrasi lubang hitam primordial kecil. Kenyataannya, lubang hitam sekecil itu akan kesulitan membentuk piringan akresi yang membuatnya terlihat di sini. (Kredit: NASA)
BUFFALO, NY — Mungkinkah lubang hitam primordial kecil, yang terbentuk pada awal mula alam semesta kita, bersembunyi di dalam asteroid atau bahkan di bawah kaki kita? Sebuah studi baru yang provokatif menunjukkan cara inovatif untuk mencari benda-benda kosmik yang sulit ditangkap ini – dan bukti keberadaannya mungkin sedekat bebatuan di bangunan kuno atau asteroid yang melayang di tata surya kita.
Ketika kebanyakan orang berpikir tentang lubang hitam, mereka membayangkan bintang-bintang besar yang sedang sekarat runtuh ke dalam diri mereka sendiri. Namun, dalam kondisi kacau di alam semesta awal, hal lain mungkin telah terjadi. Ketika ruang angkasa berkembang pesat setelah Big Bang, beberapa area menjadi jauh lebih padat dibandingkan lingkungan sekitarnya, sehingga berpotensi runtuh menjadi apa yang oleh para ilmuwan disebut lubang hitam primordial (PBH). Benda-benda kosmik ini bahkan bisa menjadi solusi bagi salah satu misteri terbesar fisika – materi gelap, zat tak kasat mata yang menyusun 85% total massa alam semesta.
“Kita harus berpikir di luar kebiasaan karena apa yang telah dilakukan untuk menemukan lubang hitam purba sebelumnya tidak berhasil,” kata rekan penulis studi Dejan Stojkovic, seorang profesor fisika di Universitas Buffalo, dalam rilis media.
Penelitian Stojkovic, bersama rekannya De-Chang Dai, menunjukkan bahwa kita mungkin perlu melihat skala kosmik dan bumi untuk menemukan bukti keberadaan objek-objek yang sulit dipahami ini.
Ini bukanlah lubang hitam raksasa yang mengintai di pusat galaksi. Para peneliti fokus pada spesimen yang jauh lebih kecil, dengan berat antara 1.017 dan 1.024 gram – bayangkan massa gunung yang dikompresi menjadi seukuran atom. Walaupun kedengarannya masih sangat besar, namun dalam dunia lubang hitam, lubang hitam ini dianggap sangat kecil.
Kredit: Gambar oleh Benjamin Lehmann, menggunakan SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC.
Mekanismenya sangat mudah: Jika salah satu lubang hitam mini ini ditangkap oleh sebuah planet atau asteroid yang memiliki inti cair yang dikelilingi oleh lapisan luar padat (mirip dengan struktur Bumi), lubang hitam tersebut secara bertahap akan memakan inti cair yang lebih padat. Jika lapisan luar padat tersebut cukup kuat, ia tidak akan runtuh, meninggalkan cangkang berongga – yang pada dasarnya menciptakan katedral kosmik alami.
“Jika suatu benda memiliki inti pusat yang cair, maka PBH yang ditangkap dapat menyerap inti cair tersebut, yang massa jenisnya lebih tinggi daripada massa jenis lapisan padat terluarnya,” jelas Stojkovic.
Lubang hitam tersebut nantinya mungkin akan lepas jika benda tersebut dihantam oleh asteroid lain, sehingga hanya menyisakan cangkang kosong. Para peneliti menghitung kondisi tepat yang diperlukan agar struktur tersebut tetap stabil. Dengan menggunakan material yang diketahui seperti granit dan besi, mereka menentukan bahwa struktur berongga hingga sepersepuluh ukuran Bumi secara teoritis bisa ada.
Menariknya, beberapa asteroid yang diketahui termasuk dalam kisaran ukuran ini, termasuk Lutetia (diameter sekitar 62 mil) dan Vesta (lebar sekitar 326 mil). Objek berongga seperti itu berpotensi dapat dideteksi menggunakan teleskop, karena kepadatannya yang sangat rendah dapat diketahui dengan mempelajari orbitnya. Faktanya, beberapa asteroid seperti Bennu dan Ryugu diketahui memiliki kepadatan yang sangat rendah, meskipun hal ini mungkin disebabkan oleh struktur tumpukan puingnya, bukan lubang hitam.
Studi ini juga menyarankan cara lain yang mungkin lebih mudah diakses untuk mencari pengunjung kosmik ini. Lubang hitam primordial yang bergerak cepat melewati materi padat akan meninggalkan ciri khasnya: terowongan yang sangat lurus dan sangat sempit. Seberapa sempit? Sebuah lubang hitam dengan berat sekitar 1.022 gram akan menciptakan terowongan dengan radius sekitar 0,1 mikron – cukup kecil untuk tidak terlihat dengan mata telanjang tetapi cukup besar untuk dilihat dengan mikroskop optik.
Dan jika Anda khawatir tentang lubang hitam purba yang melewati Anda – jangan khawatir. Berbeda dengan material padat seperti batu, jaringan manusia mempunyai tegangan yang sangat kecil, sehingga PBH tidak akan merobeknya.
“Jika proyektil bergerak melalui suatu medium lebih cepat dari kecepatan suara, struktur molekul medium tersebut tidak mempunyai waktu untuk merespons. Lemparkan batu ke jendela, kemungkinan besar batu itu akan pecah. Tembak jendela dengan pistol, kemungkinan besar hanya akan meninggalkan lubang,” jelas Stojkovic penuh warna.
Para peneliti juga mengeksplorasi penerapan perhitungan mereka yang lebih futuristik. Peradaban masa depan mungkin ingin membangun struktur di sekitar lubang hitam untuk memanen energinya. Dengan menggunakan bahan terkuat yang diketahui saat ini – tabung nano karbon multiwall – mereka menghitung bahwa struktur seperti itu perlu dibangun setidaknya 10.000 jari-jari matahari dari lubang hitam bermassa matahari agar tetap stabil. Itu adalah proyek konstruksi yang patut direnungkan oleh keturunan kita.
Bidang fisika saat ini menghadapi tantangan serius, salah satu tantangan terbesarnya adalah materi gelap.
“Orang-orang terpintar di dunia telah mengatasi masalah ini selama 80 tahun dan belum menyelesaikannya. Kita tidak memerlukan perluasan langsung dari model yang sudah ada. Kami mungkin memerlukan kerangka kerja yang benar-benar baru,” Stojkovic menyimpulkan.
Dan siapa yang tahu? Mungkin saat berikutnya Anda berjalan melewati bangunan batu kuno, Anda akan berjalan melewati bukti bisu dari salah satu objek paling eksotis di alam semesta – pengunjung kosmik yang meninggalkan jejak jutaan tahun lalu, menunggu untuk ditemukan di bawah mikroskop. Meskipun kemungkinannya kecil – sekitar satu dalam sejuta untuk batu berusia satu miliar tahun – potensi hasil dari penemuan bukti pertama adanya lubang hitam purba akan sangat besar.
Makalah ini akan diterbitkan pada edisi Desember Fisika Alam Semesta Gelap.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan relativitas umum Einstein untuk melakukan perhitungan mereka, khususnya berfokus pada bagaimana ruang-waktu membengkok di sekitar lubang hitam dengan cangkang masif yang mengelilinginya. Mereka memulai dengan apa yang disebut “metrik ruangwaktu simetris bola” – bayangkan ini sebagai peta matematika yang menunjukkan bagaimana ruang dan waktu melengkung di sekitar objek bulat sempurna. Dengan menggunakan kerangka kerja ini, mereka menghitung dua nilai kritis: kepadatan permukaan (berapa banyak massa yang dimasukkan ke dalam permukaan cangkang) dan tegangan permukaan (gaya yang mencoba untuk memisahkan cangkang).
Perhitungan ini mengungkapkan rasio penting antara tegangan dan kepadatan yang menentukan apakah struktur berongga dapat bertahan. Anggap saja seperti gelembung sabun – ada keseimbangan antara tegangan permukaan yang menyatukan gelembung dan tekanan yang mencoba memecahkannya. Untuk struktur kosmiknya, rasio ini perlu dibandingkan dengan kekuatan material nyata.
Untuk membuat perbandingan ini praktis, mereka memeriksa material umum yang ditemukan di asteroid dan planet. Misalnya, granit mampu menahan tekanan hingga sekitar 0,0965 gigapascal, sedangkan besi mampu menahan tekanan hingga 1 gigapascal. Mereka juga mengamati material yang lebih eksotik seperti tabung nano karbon multiwall, yang dapat menahan hingga 60 gigapascal, menjadikannya material terkuat yang diketahui untuk tujuan ini.
Hasil Utama
Perhitungan tersebut menghasilkan beberapa temuan spesifik. Untuk material alami seperti granit atau besi, struktur berongga dapat stabil hingga 0,1 jari-jari bumi (sekitar 637 kilometer atau 395 mil). Kisaran ukuran ini sangat menarik karena kita mengetahui adanya beberapa asteroid di dalamnya. Misalnya, asteroid Lutetia, dengan diameter sekitar 100 kilometer dan kepadatan 3,4 g/cm³, termasuk dalam kisaran ini. Demikian pula, Vesta, berukuran lebar 525,4 kilometer dengan kepadatan 3,456 g/cm³, secara teoritis dapat menopang struktur berongga.
Menariknya, beberapa asteroid yang telah kami temukan menunjukkan kepadatan yang sangat rendah. Bennu dan Ryugu, misalnya, memiliki kepadatan hanya sekitar 1,2 g/cm³. Meskipun kepadatan rendah ini saat ini disebabkan oleh struktur tumpukan puing-puingnya (yang pada dasarnya merupakan kumpulan batuan lepas yang disatukan oleh gravitasi), penemuan mereka membuktikan bahwa kita telah memiliki teknologi untuk mendeteksi objek dengan kepadatan sangat rendah di luar angkasa.
Untuk terowongan mikroskopis, para peneliti menghitung bahwa lubang hitam seberat 1.022 gram akan meninggalkan terowongan dengan radius 0,1 mikron – seukuran virus besar. Meskipun kemungkinan menemukan terowongan semacam itu sangat kecil (0,000001 untuk batuan berumur miliaran tahun dengan penampang 10 meter persegi), kemampuan untuk mendeteksi fitur tersebut dengan mikroskop optik standar membuat pencarian menjadi layak dilakukan.
Keterbatasan Studi
Kemungkinan menemukan bukti jalur lubang hitam melalui material Bumi sangat kecil – sekitar 0,000001 untuk batu besar berusia miliaran tahun. Perhitungan tersebut mengasumsikan kondisi sempurna dan struktur simetris, yang mungkin tidak mencerminkan skenario dunia nyata. Studi ini juga mengandalkan pemahaman kita saat ini tentang sifat material dalam kondisi ekstrem, yang mungkin tidak lengkap.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini membuka kemungkinan baru untuk mendeteksi lubang hitam primordial menggunakan teknologi dan material yang ada. Hal ini menunjukkan bahwa kita mungkin menemukan bukti benda-benda kosmik ini di tempat-tempat yang tidak terduga, mulai dari bangunan kuno hingga asteroid. Meskipun peluang untuk menemukan tanda tangan ini kecil, pencariannya tidak memerlukan peralatan mahal atau persiapan yang rumit. Studi ini juga memberikan wawasan berharga untuk proyek rekayasa luar angkasa di masa depan yang melibatkan lubang hitam.
Pendanaan & Pengungkapan
Karya Stojkovic didukung oleh National Science Foundation, sedangkan karya Dai didanai oleh National Science and Technology Council (Taiwan). Para penulis melaporkan tidak ada konflik kepentingan.
