Lubang hitam sering dibayangkan sebagai pusaran gelap yang menelan apa pun yang mendekat cahaya, planet, bahkan waktu itu sendiri. Namun, di balik citra menyeramkan itu, para fisikawan menemukan bahwa lubang hitam juga memiliki “kehidupan dalam” yang kompleks: mereka punya suhu, tekanan, dan bahkan perilaku termodinamika seperti gas panas di dalam wadah.
Kini, sebuah studi baru berjudul “Universal Thermodynamic Topological Classes of Rotating Black Holes” yang diterbitkan di Physics Letters B (2025) oleh Xiao-Dan Zhu, Wentao Liu, dan Di Wu, mengungkap sesuatu yang lebih dalam lagi: bahwa lubang hitam, terutama yang berputar, bisa diklasifikasikan ke dalam kelas topologis termodinamika universal.
Temuan ini tidak hanya memperluas cara kita memahami panas dan energi pada lubang hitam, tetapi juga membuka jendela menuju hukum-hukum dasar alam semesta, dimana geometri ruang-waktu dan fisika termal ternyata saling terhubung.
Baca juga artikel tentang: S1094b: Jejak Tumbukan Raksasa dan Es Tersembunyi di Mars
Lubang Hitam yang Berputar: Mesin Alam Semesta
Sebelum masuk ke inti penelitian, mari kenali dulu apa itu rotating black hole atau lubang hitam berputar.
Dalam fisika relativitas umum, lubang hitam tidak hanya bisa memiliki massa, tapi juga putaran (spin) dan muatan listrik. Jenis lubang hitam yang paling terkenal di antaranya:
- Schwarzschild black hole: lubang hitam tanpa putaran dan tanpa muatan.
- Reissner–Nordström black hole: punya muatan listrik tapi tidak berputar.
- Kerr black hole: berputar tapi tidak bermuatan.
- Kerr–Newman black hole: berputar dan bermuatan listrik.
Lubang hitam yang berputar ini bisa digambarkan seperti pusaran air raksasa di ruang-waktu, di mana segala sesuatu yang mendekat ikut terseret oleh putarannya. Bahkan ruang di sekitarnya ikut “berputar” fenomena yang disebut frame dragging.
Tapi, ternyata, selain menarik secara gravitasi, lubang hitam juga “hidup” secara termodinamika mereka punya panas, tekanan, dan bahkan bisa “mendidih” di bawah kondisi ekstrem.
Termodinamika Lubang Hitam: Saat Fisika Panas Bertemu Gravitasi
Pada dasarnya, termodinamika lubang hitam adalah bidang yang mencoba menjelaskan bagaimana hukum-hukum energi dan panas berlaku di lingkungan ekstrem lubang hitam.
Seperti benda lain, lubang hitam bisa punya:
- Suhu (Temperature): diukur dari radiasi Hawking yang keluar darinya.
- Entropi (Entropy): ukuran seberapa banyak informasi yang tersimpan di permukaan lubang hitam (event horizon).
- Tekanan dan Volume: konsep yang digunakan untuk menjelaskan bagaimana lubang hitam bereaksi terhadap perubahan energi.
Yang menarik, dalam beberapa dekade terakhir, ilmuwan menemukan bahwa lubang hitam berperilaku seperti gas atau cairan dalam sistem termodinamika biasa.
Misalnya, pada suhu tertentu, mereka bisa mengalami transisi fase, mirip dengan air yang berubah menjadi uap.
Dan kini, studi Zhu, Liu, dan Wu mencoba melihat fenomena ini dari sudut pandang baru, bukan sekadar suhu dan tekanan, tapi bentuk topologinya dalam ruang parameter termodinamika.
Topologi: Bentuk Tak Kasatmata dari Fisika
Topologi adalah cabang matematika yang mempelajari bentuk dan struktur suatu ruang bukan dari ukurannya, tapi dari bagaimana bagian-bagian ruang itu tersambung.
Bayangkan Anda punya donat dan cangkir kopi: secara topologis, keduanya sama, karena masing-masing punya satu lubang. Tapi bola tenis tidak sama, karena tak punya lubang.
Nah, para peneliti mencoba melihat lubang hitam juga dengan cara ini bukan hanya berdasarkan massa atau suhu, tapi bentuk termodinamika dasarnya.
Dalam penelitian sebelumnya (Wei et al., 2024), diperkenalkan sistem klasifikasi universal untuk semua jenis lubang hitam, dibagi ke dalam empat kelas topologis utama:
- W−
- W0−
- W0+
- W1+
Klasifikasi ini membantu memetakan bagaimana lubang hitam berubah ketika suhunya naik, tekanannya berubah, atau massanya bertambah layaknya diagram fase air antara padat, cair, dan gas.
Meneliti “Kelas Panas” Lubang Hitam yang Berputar
Dalam studi terbaru ini, tim Zhu, Liu, dan Wu fokus pada Kerr dan Kerr–Newman black holes, yaitu lubang hitam yang berputar dan (kadang) bermuatan listrik. Mereka menganalisis bagaimana perilaku termodinamika lubang hitam berubah di berbagai dimensi ruang (bukan hanya empat dimensi yang kita kenal).
Mereka menemukan bahwa:
- Lubang hitam yang lebih kecil (innermost) cenderung tidak stabil secara termodinamika, seperti bola api yang mudah meledak.
- Sementara lubang hitam yang lebih besar (outermost) bisa lebih stabil, mirip dengan sistem yang sudah mencapai kesetimbangan panas.
Secara khusus:
- Lubang hitam berputar di dimensi lebih tinggi (≥6) cenderung memiliki satu keadaan besar yang stabil dan satu keadaan kecil yang tidak stabil.
- Lubang hitam di dimensi 4 dan 5 (seperti alam semesta kita) memiliki pola yang berbeda: satu cabang stabil dan satu cabang tidak stabil, tergantung pada suhu dan rotasinya.
Di suhu sangat tinggi, beberapa jenis lubang hitam bahkan tidak memiliki keadaan stabil sama sekali artinya, mereka bisa “menghilang” dalam badai energi kuantum.
Apa Artinya Semua Ini?
Temuan ini memperkuat dugaan bahwa setiap jenis lubang hitam memiliki “kelas topologis termodinamika” tertentu seperti DNA-nya dalam skala kosmik.
Dengan menggunakan peta topologi, para ilmuwan bisa mengetahui apakah sebuah lubang hitam akan stabil, berfluktuasi, atau hancur di bawah kondisi tertentu.
Zhu dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa:
- Lubang hitam di dimensi lebih tinggi (≥6) masuk dalam kelas W1− yaitu kelompok yang memiliki perilaku tidak stabil pada bagian dalam tetapi bisa stabil di luar.
- Lubang hitam empat dimensi (Kerr–Newman) dan lima dimensi termasuk dalam kelas W0+, yakni tipe yang relatif stabil secara termodinamika.
Klasifikasi ini memberikan cara baru untuk memahami “kehidupan termal” lubang hitam, dan mungkin membantu memecahkan misteri besar seperti paradoks informasi atau transisi fase gravitasi.
Implikasi Kosmik: Dari Teori ke Alam Semesta
Mengapa hal ini penting? Karena memahami stabilitas termodinamika lubang hitam bisa memberi petunjuk tentang:
- Bagaimana alam semesta menjaga keseimbangannya pada skala ekstrem.
- Bagaimana energi dan informasi “disimpan” dan “dilepaskan” oleh lubang hitam.
- Bahkan, bagaimana teori gravitasi kuantum seharusnya bekerja.
Beberapa fisikawan percaya, jika kita bisa memahami peta topologi termal lubang hitam, kita akan lebih dekat ke teori penyatuan besar (Theory of Everything) yang menjembatani gravitasi Einstein dan mekanika kuantum.
Lubang hitam bukan hanya lubang kosong di ruang angkasa. Ia adalah objek termal dan geometris yang sangat kompleks, tempat di mana panas, energi, dan bentuk ruang saling bertaut.
Penelitian oleh Zhu, Liu, dan Wu menunjukkan bahwa bahkan di dalam kegelapan absolut, ada struktur matematis yang elegan dan universal yang mengatur perilaku mereka.
Dengan memahami “kelas termodinamika topologis” lubang hitam, kita mungkin sedang membuka jalan menuju pemahaman terdalam tentang bagaimana alam semesta menjaga keseimbangannya dari lubang hitam terkecil hingga galaksi terbesar.
Baca juga artikel tentang: Simfoni Plasma dari Kutub Utara Jupiter: Nada-Nada Aneh dari Alam Semesta
REFERENSI:
Zhu, Xiao-Dan dkk. 2025. Universal thermodynamic topological classes of rotating black holes. Physics Letters B 860, 139163.
