Lubang hitam sering digambarkan sebagai monster kosmik yang tak berubah, objek abadi yang hanya tahu menelan, bukan berevolusi. Namun, penelitian baru dari dua fisikawan teoretis, Hemant Rathi dan Dibakar Roychowdhury, menantang gambaran itu.
Mereka menemukan bahwa lubang hitam bisa mengalami perubahan fase, layaknya air yang mendidih menjadi uap atau membeku menjadi es.
Bayangkan sejenak: lubang hitam yang “mendidih”, “menguap”, atau “berubah bentuk” bukan dalam arti fisik yang kita lihat, tapi dalam struktur termodinamika dan topologinya. Penemuan ini, yang dipublikasikan dalam Physics Letters B tahun 2025, memberi kita pandangan baru tentang bagaimana gravitasi, ruang-waktu, dan informasi saling terkait di alam semesta.
Baca juga artikel tentang: S1094b: Jejak Tumbukan Raksasa dan Es Tersembunyi di Mars
Lubang Hitam: Bukan Sekadar “Lubang”
Sejak Einstein merumuskan teori relativitas umum, lubang hitam dipahami sebagai wilayah ruang di mana gravitasi begitu kuat sehingga tidak ada apa pun yang bisa keluar darinya. Namun, sejak temuan Stephen Hawking pada 1970-an, bahwa lubang hitam dapat memancarkan radiasi dan memiliki suhu. Para ilmuwan mulai melihat lubang hitam sebagai objek termodinamika: ia memiliki energi, entropi, bahkan tekanan dan volume, seperti gas atau cairan.
Jika begitu, maka seperti semua sistem termodinamika, lubang hitam juga bisa mengalami transisi fase.
Dalam bahasa sederhana, transisi fase adalah perubahan keadaan suatu sistem ketika kondisinya berubah. Contohnya: air yang berubah menjadi uap saat dipanaskan, atau menjadi es saat didinginkan. Dalam fisika lubang hitam, transisi fase bisa berarti perubahan dari lubang hitam kecil ke lubang hitam besar, tergantung pada kondisi energi dan gravitasi di sekitarnya.
Dari Lubang Hitam Kecil ke Lubang Hitam Besar
Rathi dan Roychowdhury menemukan bahwa lubang hitam dapat mengalami perubahan ukuran dan sifat tergantung pada kondisi lingkungan kuantumnya. Dalam studi mereka, mereka menggunakan pendekatan matematis yang disebut JT gravity, singkatan dari Jackiw–Teitelboim gravity sebuah model sederhana namun kuat yang memungkinkan para ilmuwan meneliti aspek-aspek kuantum gravitasi di dua dimensi.
Mengapa dua dimensi? Karena mempelajari gravitasi di alam semesta penuh empat dimensi (seperti kita hidup sekarang) sangat rumit. Dengan menurunkan jumlah dimensi, para ilmuwan bisa memahami pola dasar perilaku gravitasi tanpa kehilangan esensi dari fisika yang sesungguhnya.
Dalam simulasi JT gravity mereka, para peneliti menemukan sesuatu yang menarik:
Ketika kondisi energi (atau “potensial kimia”) tertentu tercapai, lubang hitam kecil dapat “berubah fase” menjadi lubang hitam besar.
Ini mirip dengan bagaimana air mendidih ketika suhunya mencapai titik tertentu, sebuah “transisi” dari satu bentuk stabil ke bentuk lainnya.
Perubahan Fase Kosmik: Dari Materi ke Topologi
Yang membuat penelitian ini luar biasa adalah cara para peneliti melihat transisi ini bukan sekadar sebagai perubahan energi, tapi juga perubahan “topologi”.
Topologi adalah cabang matematika yang mempelajari bentuk dan hubungan ruang tanpa memperhatikan ukuran atau jarak.
Bayangkan kamu memiliki balon dan menggembungkannya, bentuknya berubah, tapi topologinya (permukaan tanpa lubang) tetap sama. Namun, jika kamu melubanginya, topologinya berubah dari “bola utuh” menjadi “donat”.
Rathi dan Roychowdhury menunjukkan bahwa lubang hitam juga bisa mengalami perubahan topologi dalam “ruang termodinamikanya”. Artinya, bukan hanya ukurannya yang berubah, tapi juga struktur fundamental ruang-waktu di dalamnya.
Lubang hitam kecil mungkin memiliki struktur ruang yang berbeda dari lubang hitam besar, seperti dua jenis “benda topologis” yang memiliki bentuk matematika berlainan. Dalam istilah mereka, lubang hitam-lubang hitam ini adalah “cacat topologis” dalam jaringan ruang dan waktu.
JT Gravity: Laboratorium Mini untuk Alam Semesta
Model JT gravity memungkinkan fisikawan melihat gravitasi dari perspektif kuantum, sesuatu yang masih menjadi teka-teki besar dalam fisika modern. Einstein menjelaskan gravitasi sebagai kelengkungan ruang dan waktu, tapi teori itu tidak sepenuhnya cocok dengan mekanika kuantum, hukum yang mengatur dunia partikel kecil.
JT gravity bertindak seperti versi mini dari alam semesta, cukup sederhana untuk diselesaikan, tapi cukup kaya untuk mengungkap rahasia besar gravitasi kuantum.
Dalam model ini, Rathi dan Roychowdhury menambahkan medan gaya yang dikenal sebagai Yang–Mills fields jenis gaya yang juga digunakan dalam fisika partikel untuk menjelaskan interaksi antara quark dan gluon di dalam atom. Kombinasi ini memungkinkan mereka membuat “laboratorium matematis” tempat lubang hitam dua dimensi bisa terbentuk, berubah ukuran, bahkan berevolusi secara topologis.
Energi, Informasi, dan Struktur Ruang-Waktu
Peneliti juga menghitung energi bebas, ukuran seberapa stabil suatu sistem dan menemukan bahwa ketika energi bebas berubah tanda, sistem berpindah dari fase satu ke fase lain. Dengan kata lain, lubang hitam “memilih” bentuk baru yang lebih stabil, seperti air yang memilih menjadi es ketika suhu turun.
Perubahan fase ini menunjukkan bahwa struktur ruang-waktu di sekitar lubang hitam bisa berubah, bukan hanya menyesuaikan ukuran gravitasi, tapi juga mengatur ulang hubungan antara ruang dan waktu itu sendiri.
Lebih jauh lagi, mereka menemukan bahwa proses ini memiliki padanan dalam teori kuantum informasi, terutama model SYK (Sachdev–Ye–Kitaev), sistem matematis yang sering digunakan untuk menjelaskan bagaimana informasi kuantum berperilaku di alam semesta mini. Artinya, hasil penelitian ini bukan hanya tentang lubang hitam, tetapi juga tentang bagaimana informasi tersimpan dan berubah di bawah gravitasi ekstrem.
Apa Artinya untuk Fisika Modern
Penemuan ini memperkaya pemahaman kita tentang lubang hitam dan membuka jalan menuju gravitasi kuantum, teori besar yang diharapkan bisa menyatukan dua pilar utama fisika: relativitas umum dan mekanika kuantum.
Jika benar lubang hitam bisa berubah fase, itu berarti:
- Lubang hitam bukanlah entitas statis, tetapi sistem dinamis yang dapat berevolusi seperti zat termal.
- Ruang-waktu itu sendiri bisa berubah bentuk, bukan hanya melengkung seperti dalam teori Einstein, tapi juga “bertopologi” ulang.
- Informasi tidak hilang di dalam lubang hitam, melainkan ikut mengalami transformasi dalam struktur ruang-waktu.
Dengan cara ini, lubang hitam bukanlah akhir dari fisika, melainkan laboratorium alami untuk memahami hukum terdalam alam semesta.
Lubang hitam bukan sekadar titik gelap di langit, ia adalah sistem hidup yang berdenyut dengan energi dan informasi. Penelitian Rathi dan Roychowdhury menunjukkan bahwa lubang hitam bisa berubah wujud, beradaptasi, bahkan mungkin “berpikir” dalam bahasa alam semesta sendiri: topologi.
Mereka telah mengubah cara kita melihat lubang hitam dari “akhir segalanya” menjadi cermin tempat ruang dan waktu saling menata ulang.
Atau seperti yang mungkin dikatakan seorang fisikawan kuantum:
“Lubang hitam bukanlah lubang, ia adalah bentuk dari perubahan itu sendiri.”
Baca juga artikel tentang: Simfoni Plasma dari Kutub Utara Jupiter: Nada-Nada Aneh dari Alam Semesta
REFERENSI:
Rathi, Hemant & Roychowdhury, Dibakar. 2025. Topology of black hole phase transition in JT gravity. Physics Letters B 861, 139249.
