Pada part 2, telah dibahas mengenai konsep dilatasi waktu dan orbit Planet Miller di sekitar Gargantua. Kali ini, akan ditinjau salah satu aspek paling menonjol dari lubang hitam tersebut, yaitu tampilannya yang begitu spektakuler seperti yang terlihat di gambar di atas.
Mungkin Anda bertanya-tanya, mengapa Gargantua berbentuk seperti itu? Dan apakah lubang hitam lain di alam semesta juga memiliki tampilan yang sama? Untuk menjawab pertanyaannya, persiapkan diri Anda untuk melihat Gargantua dari jarak dekat!
Visualisasi Gargantua merupakan aspek yang sangat menonjol dari film ini. Visualisasi tersebut sangat mirip dengan citra lubang hitam supermasif di pusat galaksi M87 yang baru April 2019 lalu didapatkan. Jika Anda tertarik, saya akan membuat artikel terpisah yang membahas mengenai citra lubang hitam M87 tersebut.
Faktanya, visualisasi Gargantua memang dibuat berdasarkan permasalahan ilmiah, khususnya tentang relativitas umum. Sebenarnya, kita tidak dapat melihat lubang hitam secara langsung karena seluruh cahaya yang melewatinya akan diserap. Lalu, bagaimana cara kita dapat mengetahui bahwa terdapat lubang hitam di daerah yang kita tinjau jika kita tidak dapat melihatnya?
Terdapat setidaknya dua cara, yang pertama yaitu dari pergerakan objek-objek di sekitarnya (bintang-bintang terlihat mengorbit suatu daerah yang gelap) dan kedua, dari citra piringan akresi (suatu kumpulan partikel gas dan debu yang mengorbit di sekitar objek yang berotasi) yang mengorbit lubang hitam tersebut.
Cara pertama adalah cara yang digunakan astronom untuk menentukan keberadaan lubang hitam supermasif yang ada di pusat galaksi Bima Sakti yang dinamakan Sagittarius A*.
Sementara, cara kedua adalah yang ditinjau dalam Interstellar; dan yang dimanfaatkan Event Horizon Telescope untuk mendapatkan citra lubang hitam di pusat galaksi M87. Dalam part 3 kali ini, saya akan fokus untuk membahas piringan akresi yang mengorbit Gargantua.
Lubang Hitam yang Bersembunyi
Apa yang kita lihat dari lubang hitam adalah piringan akresi yang mengorbit lubang hitam tersebut. Pada tampilan Gargantua yang terlihat di film, piringan akresi-nya adalah piringan yang bersinar terang, sedangkan lubang hitamnya adalah daerah gelap di tengah-tengah piringan akresi. Agar lebih jelas, perhatikan gambar di bawah (gambar dapat di-zoom jika tulisannya terlihat kurang jelas).
Bagian gelap di tengah piringan akresi disebut black hole shadow dikarenakan apa yang kita lihat hanyalah 'bayangan' dari lubang hitam, bukan benar-benar lubang hitamnya.
Mengapa? Ingat pada part sebelumnya, radius ISCO umumnya lebih besar daripada radius lubang hitamnya (radius event horizon atau radius Schwarzchild) sehingga batas antara black hole shadow dengan piringan akresi tersebut adalah radius ISCO, bukan radius lubang hitam.
Lubang hitamnya sendiri bersembunyi di tengah-tengah black hole shadow tanpa bisa terlihat oleh kita. Oleh karena itu, secara harfiah, kita memang tidak dapat melihat lubang hitam secara langsung. Jangan kecewa ya!
Piringan yang Spektakuler
Telah disebutkan sebelumnya bahwa lubang hitam dapat melengkungkan ruang-waktu dengan begitu ekstrem akibat gravitasinya yang sangat besar. Lebih lanjut, lubang hitam yang berotasi mengakibatkan kelengkungan ruang-waktu tersebut ikut tertarik bergerak mengikuti rotasi lubang hitam.
Peristiwa ini disebut frame dragging dan dapat terjadi di daerah di sekitar lubang hitam yang dinamakan ergosphere. Akibatnya, setiap objek yang mengorbit lubang hitam akan tertarik sedemikian cepat oleh rotasi lubang hitam tersebut dan bahkan, untuk objek-objek yang mengorbit cukup dekat dengan lubang hitam, kecepatan rotasinya akan mendekati kecepatan cahaya!
Ingat bahwa temperatur dihasilkan dari pergerakan acak partikel; semakin acak (dan semakin cepat) pergerakannya, maka semakin tinggi temperaturnya. Hal tersebut berlaku pula di piringan akresi.
Oleh karena partikel-partikel bergerak begitu cepat, maka temperaturnya sangat tinggi, bahkan dapat mencapai jutaan Celsius untuk bagian piringan akresi yang paling dekat dengan lubang hitam. Itu sebabnya piringan akresinya akan terlihat bersinar sesuai dengan yang terlihat dalam tampilan Gargantua di film.
Lalu, apa yang menyebabkan bentuk piringan akresi yang unik seperti itu?
Cahaya yang Dilengkungkan
Menurut teori relativitas umum, karena gravitasi dapat melengkungkan ruang-waktu dan cahaya bergerak mengikuti bentuk ruang-waktu, maka cahaya dapat dibelokkan oleh gravitasi.
Dalam kehidupan sehari-hari, mungkin Anda terbiasa melihat cahaya yang membentuk lintasan lurus. Jika Anda menyalakan senter di suatu tempat yang sangat gelap dan menyinari akuarium yang berjarak beberapa meter di depan Anda, maka akuarium tersebut akan terlihat oleh Anda karena cahaya dari senter sampai ke akuarium.
Keadaan yang berbeda akan Anda temui jika berada di dekat lubang hitam. Akuarium akan terlihat lebih redup atau bahkan tidak terlihat sama sekali karena cahaya senter Anda akan dibelokkan sebelum sempat mencapai akuarium akibat gravitasi lubang hitam yang begitu kuat.
Peristiwa pembelokkan cahaya ini disebut gravitational lensing dan merupakan peristiwa yang menyebabkan tampilan Gargantua (dan lubang hitam lainnya di alam semesta) sangat unik.
Gravitasi lubang hitam yang ekstrim menghasilkan efek gravitational lensing yang ekstrim pula. Efek yang ekstrim tersebut terlihat pada bagian atas dan bawah piringan akresi yang membentuk busur (perhatikan gambar lubang hitam NASA sebelumnya). Bagian atas dan bawah piringan akresi yang melengkung tersebut sebenarnya adalah cahaya yang berada di bagian belakang lubang hitam.
Karena cahaya di bagian tersebut perlu melewati lubang hitam agar sampai ke mata kita, efek gravitational lensing lubang hitam yang begitu ekstrim menyebabkan cahayanya dilengkungkan sedemikian rupa sehingga terlihat membentuk busur.
Sementara, bagian piringan akresi di depan lubang hitam tetap berbentuk piringan (tidak dilengkungkan) karena cahayanya tidak perlu melewati lubang hitam untuk sampai ke mata kita.
Bentuk piringan akresi ini akan terlihat sama di sisi manapun kita melihat lubang hitam asalkan posisi kita terhadap lubang hitam cukup dekat dan konfigurasi kita dengan lubang hitam adalah edge-on (tatap muka/berhadapan). Untuk memudahkan Anda untuk membayangkannya, video youtube berikut mungkin dapat membantu.
Cahaya yang Ditarik
Ada beberapa faktor lain yang diperhatikan Kip Thorne dalam pembuatan Gargantua, yaitu gravitational redshift dan doppler beaming (pergeseran Doppler).
Gravitational redshift adalah perubahan panjang gelombang cahaya akibat gravitasi (saya akan mengasumsikan bahwa pembaca sudah paham mengenai konsep panjang gelombang dan gelombang elektromagnetik). Peristiwa ini disebabkan oleh proses yang sama seperti yang menyebabkan gravitational lensing; kelengkungan ruang-waktu.
Oleh karena cahaya bergerak di ruang-waktu, maka cahaya butuh jarak yang lebih besar untuk menjalar jika ruang-waktunya melengkung. Jarak yang lebih besar ini akan menyebabkan panjang gelombang cahaya ikut memanjang.
Akibatnya, dalam panjang gelombang optik/visual, cahaya akan terlihat semakin merah. Makin kuat gravitasi, maka panjang gelombang akan menjadi semakin besar dan frekuensinya akan semakin kecil (dan karenanya semakin redup).
Sementara itu, pergeseran Doppler adalah efek yang sama – perubahan panjang gelombang – namun disebabkan oleh peristiwa yang berbeda. Jika gravitational redshift terjadi akibat dari kelengkungan ruang-waktu karena gravitasi, pergeseran Doppler terjadi karena pergerakan cahaya itu sendiri.
Jika cahaya bergerak ke arah pengamat, maka panjang gelombangnya akan memendek dan frekuensinya makin tinggi. Namun sebaliknya, jika cahaya bergerak menjauhi pengamat, maka panjang gelombangnya akan memanjang dan frekuensinya akan makin rendah.
Pergeseran Doppler dapat kita amati dalam kehidupan sehari-hari saat terdapat mobil polisi yang membunyikan sirenenya melewati kita. Saat mobil polisi tersebut mendekati kita, suara sirene akan semakin nyaring karena frekuensinya membesar. Lalu saat mobil polisi menjauhi kita, suara sirene akan mengecil karena frekuensinya semakin rendah.
Hal yang serupa berlaku pada piringan akresi lubang hitam, hanya saja bukan “suara” yang mengecil dan membesar, tetapi “intensitas” atau kecerlangan piringan akresi (karena berhubungan dengan cahaya).
Cahaya yang bergerak ke arah kita frekuensinya lebih tinggi dari cahaya yang bergerak menjauhi kita. Oleh karenanya, bagian piringan akresi yang bergerak ke arah kita akan lebih terang dari bagian yang menjauhi.
Perhatikan tampilan Gargantua di awal artikel, bagian piringan akresi sebelah kiri terlihat lebih redup dari yang sebelah kanan. Itu berarti, bagian yang lebih redup tersebut adalah bagian yang menjauhi kita dan bagian yang lebih terang adalah bagian yang mendekati kita.
Hal yang sama juga dapat dilihat di ilustrasi NASA. Bagian piringan akresi sebelah kanan lebih redup dari sebelah kiri yang menginterpretasikan hal yang sama.
Apakah Cahaya Dapat Mengorbit Lubang Hitam?
Salah satu aspek detail yang Kip Thorne masukkan ke dalam rekonstruksi Gargantua adalah kehadiran struktur seperti cincin yang disebut photon sphere atau cincin foton yang saya tandai dengan panah merah di gambar di bawah.
Photon sphere muncul akibat fakta bahwa ternyata cahaya dapat mengorbit lubang hitam dalam radius yang lebih kecil dari radius ISCO di photon sphere; dengan radius 1,5 kali radius Schwarzschild. Tidak ada objek lain yang dapat mengorbit lubang hitam dengan radius yang lebih kecil dari photon sphere.
Namun, cahaya yang mengorbit di photon sphere ini tidak stabil dan akan terjadi dua kemungkinan:
1) jika cahaya datang pada jarak kurang dari 2,6 kali radius Schwarzschild relatif terhadap pusat lubang hitam, mulanya cahaya akan mengorbit lubang hitam selama dua sampai tiga kali putaran di photon sphere lalu jatuh ke dalam lubang hitam,
2) jika cahaya datang pada jarak lebih dari 2,6 kali radius Schwarzschild relatif terhadap pusat lubang hitam, mulanya cahaya akan mengorbit lubang hitam selama dua sampai tiga kali putaran di photon sphere lalu lepas dari gravitasi lubang hitam. Photon sphere yang terlihat di Gargantua dibentuk oleh cahaya yang lepas dari lubang hitam.
Sedikit fakta menarik mengenai photon sphere: jika kita entah bagaimana bisa berada di photon sphere, maka kita bisa melihat bagian belakang tubuh kita tanpa harus menoleh dikarenakan fakta bahwa cahaya melakukan gerakan memutar (mengorbit lubang hitam). Menarik bukan?
Secara umum, visualisasi Gargantua dalam Interstellar sudah akurat. Keakuratan tersebut bukan tanpa sebab. Tim efek visual Interstellar bekerja sama dengan Kip Thorne dalam membuat suatu kode numerik yang bertujuan untuk memecahkan permasalahan lintasan cahaya di sekitar lubang hitam berotasi dengan melibatkan faktor-faktor yang telah disebutkan dan kemudian diaplikasikan ke dalam pembuatan Gargantua.
Dengan kata lain, Gargantua adalah hasil simulasi komputer. Menakjubkan bukan? Namun, hal yang luar biasa tidak berhenti di situ dan akan berlanjut di part 4 selanjutnya ya!
