Lubang hitam adalah salah satu kekuatan paling mengagumkan dan misterius di Semesta. Awalnya diprediksi oleh Teori Relativitas Umum Einstein, titik-titik ini dalam ruangwaktu terbentuk ketika bintang-bintang masif mengalami keruntuhan gravitasi pada akhir hidup mereka. Terlepas dari beberapa dekade penelitian dan observasi, masih banyak yang kita tidak ketahui tentang fenomena ini.
Sebagai contoh, sebagian besar ilmuwan masih dalam kegelapan tentang bagaimana materi yang jatuh ke orbit di sekitar lubang hitam dan secara bertahap dimasukkan ke dalamnya (akresi disk) berperilaku. Berkat sebuah studi baru-baru ini, di mana tim peneliti internasional melakukan simulasi paling rinci dari black hole hingga saat ini, sejumlah prediksi teoretis mengenai disk akresi akhirnya telah divalidasi.
Tim ini terdiri dari ahli astrofisika komputasi dari Institut Astronomi Anton Pannekoek Universitas Amsterdam, Pusat Eksplorasi & Penelitian Antardisipliner Universitas Northwestern untuk Astrofisika (CIERA), dan Universitas Oxford. Temuan penelitian mereka muncul dalam edisi 5 Juni 2008 Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
Di antara temuan mereka, tim mengkonfirmasi teori yang awalnya diajukan pada tahun 1975 oleh James Bardeen dan Jacobus Petterson, yang kemudian dikenal sebagai Efek Bardeen-Petterson. Sesuai dengan teori ini, tim menemukan bahwa sementara wilayah terluar dari akresi disk akan tetap miring, wilayah dalam disk akan sejajar dengan garis khatulistiwa lubang hitamnya.
Sederhananya, hampir semua yang diketahui para peneliti tentang lubang hitam telah dipelajari dengan mempelajari disk akresi. Tanpa cincin gas dan debu yang terang ini, kecil kemungkinan para ilmuwan akan dapat menemukan lubang hitam. Terlebih lagi, pertumbuhan lubang hitam dan kecepatan rotasi juga tergantung pada piringan akresi, yang menjadikan mempelajari mereka penting untuk memahami evolusi dan perilaku lubang hitam.
Sebagai Alexander Tchekhovskoy, seorang
Sejak Bardeen dan Petterson mengajukan teorinya, simulasi lubang hitam telah menderita dari sejumlah masalah yang telah mencegah mereka menentukan apakah penyelarasan ini terjadi. Pertama-tama, ketika disk akresi mendekati Event Horizon, mereka berakselerasi ke kecepatan yang luar biasa dan bergerak melalui daerah ruangwaktu yang bengkok.
Masalah kedua yang memperumit masalah lebih lanjut adalah fakta bahwa rotasi lubang hitam memaksa ruang-waktu untuk memutarnya. Kedua masalah ini mengharuskan ahli astrofisika menjelaskan efek relativitas umum, tetapi tetap ada masalah turbulensi magnetik. Turbulensi ini menyebabkan partikel-partikel disk tersebut saling menempel dalam bentuk melingkar dan
Sampai sekarang, para astrofisikawan belum memiliki kekuatan komputasi untuk menjelaskan semua ini. Untuk mengembangkan kode yang kuat yang mampu melakukan simulasi yang menyumbang GR dan turbulensi magnetik, tim mengembangkan kode berdasarkan unit pemrosesan grafis (GPU). Dibandingkan dengan unit pemrosesan pusat konvensional (CPU), GPU jauh lebih efisien dalam pemrosesan gambar dan algoritma komputasi yang memproses petak data yang besar.
Tim juga memasukkan metode yang disebut penyempurnaan mesh adaptif, yang menghemat energi dengan berfokus hanya pada blok tertentu di mana gerakan terjadi dan beradaptasi sesuai. Untuk menggambarkan perbedaannya, Tchekhovskoy membandingkan GPU dan
“Katakanlah Anda harus pindah ke apartemen baru. Anda harus melakukan banyak perjalanan dengan Ferrari yang kuat ini karena tidak akan cocok dengan banyak kotak. Tetapi jika Anda bisa meletakkan satu kotak di setiap kuda, Anda bisa memindahkan semuanya sekaligus. Itu GPU. Ini memiliki banyak elemen, yang masing-masing lebih lambat daripada yang ada di CPU, tetapi ada begitu banyak dari mereka. "
Terakhir, namun tidak kalah pentingnya, tim menjalankan simulasi mereka menggunakan superkomputer Blue Waters di Pusat Nasional untuk Aplikasi Superkomputer (NCSA) di University of Illinois di Urbana-Champaign. Apa yang mereka temukan adalah bahwa sementara wilayah terluar dari sebuah disk mungkin berubin, wilayah bagian dalam akan disejajarkan dengan ekuator lubang hitam dan sebuah lungsin yang halus akan menghubungkan mereka.
Selain memberikan penutupan perdebatan lama tentang lubang hitam dan disk akresi mereka, penelitian ini juga menunjukkan bahwa astrofisika telah berkembang sejak zaman Bardeen dan Petterson. Sebagaimana Matthew Liska, seorang peneliti rangkum:
“Simulasi ini tidak hanya menyelesaikan masalah 40 tahun, tetapi mereka telah menunjukkan bahwa, berbeda dengan pemikiran umum, adalah mungkin untuk mensimulasikan disk akresi paling bercahaya dalam relativitas umum penuh. Ini membuka jalan bagi generasi simulasi berikutnya, yang saya harap akan memecahkan masalah yang lebih penting di sekitar cakram akresi bercahaya. ”
Tim memecahkan misteri lama Efek Bardeen-Petterson dengan menipiskan disk akresi ke tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya dan memfaktorkan turbulensi bermagnet yang menyebabkan disk terakresi. Simulasi sebelumnya membuat penyederhanaan substansial dengan hanya memperkirakan efek turbulensi.
Terlebih lagi, simulasi sebelumnya bekerja dengan disk yang menipis yang memiliki rasio tinggi-ke-jari minimum 0,05, sedangkan efek yang paling menarik dilihat oleh Tchekhovskoy dan rekan-rekannya terjadi setelah disk menipis menjadi 0,03. Yang mengejutkan mereka, tim menemukan bahwa bahkan dengan cakram akresi yang sangat tipis, lubang hitam masih memancarkan jet partikel dan radiasi pada sebagian kecepatan cahaya (alias. Jet relativistik).
Seperti yang dijelaskan Tchekhovskoy, ini adalah penemuan yang agak tak terduga:
“Tidak ada jet yang diharapkan dihasilkan oleh disk ini dengan ketebalan sekecil itu. Orang-orang berharap bahwa medan magnet yang menghasilkan jet ini hanya akan merobek cakram yang sangat tipis ini. Tapi itu mereka. Dan itu sebenarnya membantu kita menyelesaikan misteri pengamatan. ”
Dengan semua penemuan baru-baru ini yang dibuat oleh ahli astrofisika mengenai lubang hitam dan cakram akresi mereka, Anda mungkin mengatakan kita hidup di "Zaman Keemasan Relativitas" kedua. Dan tidak berlebihan untuk mengatakan bahwa hadiah ilmiah dari semua penelitian ini bisa sangat besar. Dengan memahami bagaimana materi berperilaku di bawah kondisi yang paling ekstrem, kita semakin dekat untuk mempelajari bagaimana kekuatan-kekuatan fundamental dari Semesta saling bersatu.
