Menurut Andrea Ghez seorang profesor astrofisika dan astronomi dari University of California, Los Angeles (UCLA), mengatakan bahwa teori relativitas Albert Einstein setelah lebih 100 tahun semenjak kemunculannya, dinilai mulai usang. Namun, dalam sebuah pengujian paling komprehensif terkait relativitas umum di dekat lubang hitam yang berada di pusat galaksi Bima Sakti kita, Ghez dan tim peneliti melaporkan hasilnya di jurnal Science yang menyatakan bahwa teori relativitas umum Einstein masih tetap berlaku.
“Einstein benar, setidaknya untuk saat ini,” kata Ghez, penulis utama penelitian ini. “Kami benar-benar dapat mengesampingkan hukum gravitasi Newton. Pengamatan kami konsisten dengan teori relativitas umum Einstein. Namun, teorinya jelas menunjukkan kerentanan. Ia tidak dapat sepenuhnya menjelaskan gravitasi di dalam lubang hitam, dan pada titik tertentu kita perlu beralih dari teori Einstein menuju teori gravitasi yang lebih komprehensif yang menjelaskan apa itu lubang hitam.”
Teori relativitas umum Einstein 1915 menyatakan bahwa apa yang kita rasakan sebagai gaya gravitasi muncul dari lengkungan ruang dan waktu. Para ilmuwan berpendapat bahwa benda-benda seperti matahari dan Bumi mengubah geometri ini. Teori Einstein adalah deskripsi terbaik tentang bagaimana gravitasi bekerja, kata Ghez, di mana ia bersama dengan tim penelitinya telah melakukan pengukuran secara langsung terhadap suatu fenomena di sekitar lubang hitam supermasif. Sebuah penelitian yang digambarkan oleh Ghez sebagai “astrofisika ekstrem”.
Menurut Ghez, hukum fisika, termasuk gravitasi, harus valid di titik manapun di seluruh alam semesta. Tim risetnya adalah satu dari dua kelompok di dunia yang menyaksikan sebuah bintang yang dikenal sebagai S0-2 yang mengorbit secara utuh dalam tiga dimensi di dekat lubang hitam supermasif yang berada di pusat Bima Sakti. Satu kali orbit sampai penuh memakan waktu 16 tahun, dengan massa lubang hitamnya, sekitar empat juta kali dari matahari.
Para peneliti mengatakan pekerjaan mereka adalah studi paling detail yang pernah dilakukan terhadap lubang hitam supermasif termasuk teori relativitas umum Einstein.
Data-data yang menjadi kunci dalam penelitian ini adalah spektrum yang telah dianalisis oleh tim Ghez sebelumnya, ketika “bintang favoritnya” ini mulai mendekati lubang hitam yang sangat besar. Spektrum, yang digambarkan Ghez sebagai “pelangi cahaya” yang dihasilkan oleh berbagai bintang, menunjukkan intensitas cahaya dan menawarkan informasi penting tentang bintang di mana cahaya itu berasal melakukan perjalanannya. Spektrum juga menunjukkan komposisi bintang. Data-data ini digabungkan dengan pengukuran yang telah dilakukan oleh Ghez dan timnya selama 24 tahun terakhir.
Spektrum — yang dikumpulkan di WM Keck Observatory di Hawaii menggunakan spektograf yang dibuat di UCLA oleh tim yang dipimpin oleh kolega James Larkin — memberikan dimensi ketiga, mengungkapkan gerakan bintang pada tingkat presisi yang sebelumnya belum tercapai. (Gambar bintang yang diambil oleh para peneliti di Observatorium Keck memberikan dua dimensi lainnya.) Instrumen Larkin mengambil cahaya dari bintang dan menyebarkannya, mirip dengan cara tetesan hujan menyebarkan cahaya dari matahari untuk menciptakan pelangi, kata Ghez.
“Apa yang istimewa dari S0-2 adalah kita memiliki orbit lengkapnya dalam tiga dimensi,” kata Ghez, yang memegang Lauren B. Leichtman dan Arthur E. Levine Chair di Astrophysics. “Itulah yang memberi kita tiket masuk ke dalam pengujian relativitas umum. Kami bertanya bagaimana gravitasi berperilaku di dekat lubang hitam supermasif dan apakah teori Einstein menceritakan kisah lengkapnya kepada kita. Menyaksikan bintang menempuh orbit lengkapnya memberikan kesempatan pertama untuk menguji fundamental fisika menggunakan gerakan bintang-bintang ini.”
Tim peneliti Ghez dapat melihat gabungan ruang dan waktu di dekat lubang hitam supermasif. “Dalam versi gravitasi Newton, ruang dan waktu terpisah, dan tidak saling berdampingan; berdasarkan teori Einstein, keduanya sepenuhnya berpadu di dekat lubang hitam,” katanya.
“Membuat pengukuran yang sangat mendasar seperti itu membutuhkan kesabaran dalam pengamatan selama bertahun-tahun, dimungkinkan oleh teknologi canggih,” kata Richard Green, direktur divisi ilmu astronomi National Science Foundation. Selama lebih dari dua dekade, divisi ini telah mendukung Ghez, bersama dengan beberapa elemen teknis penting untuk penemuan tim peneliti. “Melalui upaya keras mereka, Ghez dan kolaboratornya telah menghasilkan validasi dengan signifikansi yang tinggi dari gagasan Einstein tentang gravitasi yang kuat.”
Para peneliti mempelajari foton — partikel cahaya — saat melakukan perjalanan dari S0-2 menuju Bumi. Pada posisi perjalanan terdekatnya dengan lubang hitam, S0-2 melesat dengan kecepatan lebih dari 16 juta mil per jam. Einstein telah melaporkan bahwa pada wilayah yang dekat dengan lubang hitam ini, foton harus bekerja lebih keras. Panjang gelombangnya ketika meninggalkan bintang, tidak hanya bergantung pada seberapa cepat bintang bergerak, tetapi juga pada seberapa banyak energi yang dikeluarkan oleh foton untuk keluar dari pengaruh medan gravitasi yang sangat kuat dari lubang hitam. Di dekat lubang hitam, gravitasi jauh lebih kuat daripada di Bumi.
Diperlukan 26.000 tahun untuk foton dari S0-2 untuk mencapai Bumi. “Kami sangat bersemangat, dan telah mempersiapkan bertahun-tahun untuk melakukan pengukuran ini,” kata Ghez, “Bagi kta, itu adalah visceral, sat ini — tapi itu sebenarnya terjadi 26.000 tahun yang lalu!”
Ini adalah yang pertama dari sekian banyak pengujian relativitas umum yang akan dilakukan oleh tim peneliti Ghez terhadap bintang yang berada di dekat lubang hitam supermasif. Di antara bintang-bintang yang paling menarik baginya adalah S0-102, yang memiliki orbit terpendek, membutuhkan 11 1/2 tahun untuk menyelesaikan orbitnya secara penuh di sekitar lubang hitam. Bahkan, sebagian besar bintang yang diteliti oleh Ghez memiliki orbit yang lebih lama dari umur manusia.
Tim Ghez melakukan pengukuran setiap empat malam selama periode penting pada tahun 2018 menggunakan Keck Observatory — yang terletak di atas gunung berapi yang tidak aktif, Mauna Kea, di Hawaii dan terdapat salah satu teleskop optik dan inframerah terbesar dan premier di dunia. Pengukuran juga dilakukan dengan teleskop inframerah-optik di Observatorium Gemini dan Teleskop Subaru, juga di Hawaii. Dia dan timnya telah menggunakan teleskop ini di lokasi di Hawaii dan dari ruang pengamatan di departemen fisika dan astronomi UCLA.
Lubang hitam memiliki kepadatan yang sangat tinggi sehingga tidak ada yang bisa lepas dari tarikan gravitasinya, bahkan cahaya sekalipun. (Meskipun tidak dapat dilihat secara langsung, tetapi pengaruhnya terhadap bintang – bintang terdekat dapat terlihat dengan ciri khas tersendiri. Begitu sesuatu melintasi “cakrawala peristiwa” dari lubang hitam, ia tidak akan dapat melarikan diri. Namun, bintang S0-2 masih agak jauh dari cakrawala peristiwa, bahkan pada posisi terdekatnya selama orbitnya, sehingga fotonnya tidak tertarik oleh lubang hitam supermasif.)
