Ilmuwan Simulasikan Tabrakan Dua Wormhole, Hasilnya Menarik

Wormhole selama ini lebih sering dikenal melalui film dan cerita fiksi ilmiah sebagai terowongan yang menghubungkan dua lokasi berjauhan di alam semesta. Konsep tersebut sebenarnya memiliki dasar dalam teori relativitas umum Albert Einstein, yang menjelaskan gravitasi sebagai akibat kelengkungan ruang dan waktu. Secara matematis, ruang-waktu dapat memiliki konfigurasi yang memungkinkan dua wilayah terhubung melalui sebuah terowongan.

Jika struktur tersebut benar-benar ada, wormhole secara teori dapat menyediakan jalur penghubung antara dua wilayah yang terpisah sangat jauh. Namun, kemungkinan matematis tidak otomatis membuktikan bahwa objek tersebut benar-benar terbentuk di alam semesta. Hingga saat ini, para ilmuwan belum memiliki bukti pengamatan yang memastikan keberadaan wormhole.

Salah satu model wormhole yang dikenal adalah jembatan Einstein-Rosen, tetapi struktur ini tidak dapat dilewati dari satu sisi ke sisi lainnya. Berbeda dari model tersebut, wormhole Ellis-Bronnikov secara teori memungkinkan objek melintasi terowongan yang menghubungkan dua wilayah ruang-waktu. Model inilah yang digunakan Shirokov dan Nachevsky untuk mempelajari kemungkinan interaksi antara dua lubang cacing.

Wormhole Ellis-Bronnikov memiliki karakteristik khusus karena membutuhkan sesuatu yang disebut phantom scalar field atau medan skalar fantom. Medan hipotetis tersebut memiliki sifat energi negatif yang tidak biasa, sehingga secara teori dapat menjaga terowongan wormhole tetap terbuka. Tanpa mekanisme tersebut, struktur lubang cacing berpotensi menutup akibat pengaruh gravitasi.

Namun, kemampuan mempertahankan terowongan tetap terbuka tidak berarti wormhole memiliki struktur yang stabil. Bahkan gangguan kecil dapat mengubah keseimbangan medan yang menopangnya dan memicu perubahan besar pada struktur ruang-waktu. Dalam kondisi tertentu, terowongan wormhole dapat runtuh dan membentuk lubang hitam.

Kemungkinan lainnya adalah terowongan tersebut mengalami pengembangan yang tidak terkendali melalui proses yang disebut inflation. Kondisi ini membuat wormhole Ellis-Bronnikov menjadi objek yang menarik untuk dipelajari melalui simulasi. Para peneliti ingin mengetahui bagaimana dua struktur yang sangat sensitif terhadap gangguan tersebut akan berperilaku ketika saling mendekat atau bertabrakan.

Untuk memahami interaksi tersebut, Shirokov dan Nachevsky menjalankan simulasi tiga dimensi yang melibatkan sepasang wormhole Ellis-Bronnikov. Mereka mengubah beberapa kondisi awal, termasuk jarak antara kedua wormhole, lintasan pergerakannya, serta karakteristik medan skalar fantom yang mempertahankan struktur masing-masing. Variasi tersebut memungkinkan peneliti mengamati beberapa kemungkinan hasil interaksi.

Hasilnya menunjukkan bahwa dua wormhole tidak selalu langsung bertabrakan ketika berada dalam jarak berdekatan. Dalam beberapa konfigurasi, keduanya dapat saling menarik, sementara konfigurasi lainnya justru menghasilkan interaksi yang bersifat menolak. Perbedaan tersebut menunjukkan bahwa perilaku wormhole sangat bergantung pada kondisi awal dan karakteristik medan yang terlibat.

Pada skenario tertentu, kedua wormhole bergerak cukup dekat untuk saling memengaruhi sebelum akhirnya kembali menjauh. Menariknya, interaksi singkat tersebut dapat menyebabkan terowongan masing-masing wormhole mengembang secara drastis. Sementara itu, simulasi lain memperlihatkan dua wormhole bergerak langsung menuju satu sama lain dan menghasilkan perubahan struktur ruang-waktu yang jauh lebih kompleks.

Salah satu hasil paling menarik muncul ketika dua wormhole bergerak langsung menuju satu sama lain. Alih-alih bergabung menjadi satu wormhole berukuran lebih besar, simulasi memperlihatkan terbentuknya sebuah apparent horizon yang menyelimuti kedua terowongan sekaligus. Struktur tersebut menyerupai batas yang berkaitan dengan pembentukan lubang hitam.

Dalam skenario tersebut, kedua terowongan wormhole tetap berada di dalam satu horizon yang terbentuk bersama. Kondisi ini menunjukkan bahwa interaksi dua wormhole dapat memicu terbentuknya wilayah ruang-waktu yang berkembang menjadi lubang hitam. Hasil tersebut berbeda dari gambaran sederhana mengenai dua terowongan yang menyatu menjadi satu struktur baru.

Namun, fenomena yang lebih mengejutkan muncul setelah horizon tersebut terbentuk. Ketika medan skalar fantom bergerak masuk ke wilayah yang mengalami keruntuhan, luas permukaan horizon justru mengalami penyusutan. Dalam salah satu simulasi, para peneliti menemukan bahwa luas horizon berkurang sekitar 28 persen, sebuah hasil yang tidak biasa dalam kajian fisika lubang hitam.

Penyusutan horizon menjadi salah satu temuan penting karena berbeda dari perilaku yang dijelaskan melalui teorema luas lubang hitam. Teorema yang dikemukakan Stephen Hawking pada 1971 menyatakan bahwa luas permukaan event horizon lubang hitam tidak dapat berkurang dalam kondisi yang memenuhi asumsi fisika tertentu. Secara umum, luasnya hanya dapat bertambah atau tetap sama.

Namun, simulasi wormhole Ellis-Bronnikov melibatkan medan skalar fantom yang memiliki sifat energi negatif. Karakteristik tersebut tidak memenuhi asumsi energi yang digunakan dalam teorema Hawking, sehingga perilaku horizon dapat berbeda. Dalam simulasi ini, medan tersebut memungkinkan luas apparent horizon menyusut ketika struktur ruang-waktu mengalami perubahan.

Penting untuk dipahami bahwa hasil ini tidak secara langsung membantah teorema Hawking. Penelitian tersebut mengamati apparent horizon, bukan event horizon, dan menggunakan medan hipotetis yang melanggar asumsi dasar teorema tersebut. Meski demikian, penyusutan sebesar 28 persen memperlihatkan bagaimana perilaku gravitasi dapat berubah ketika ilmuwan mempertimbangkan kondisi fisika yang tidak biasa.

Selain perubahan struktur ruang-waktu, simulasi ini juga mempelajari gelombang gravitasi yang mungkin dihasilkan ketika dua wormhole berinteraksi. Gelombang gravitasi merupakan riak pada ruang-waktu yang dapat muncul akibat pergerakan objek bermassa besar, termasuk ketika dua lubang hitam saling mendekat dan bertabrakan. Fenomena tersebut menjadi salah satu cara ilmuwan mempelajari peristiwa ekstrem di alam semesta.

Ketika dua lubang hitam bergerak dalam lintasan spiral menuju satu sama lain, gelombang gravitasi yang dihasilkan biasanya menunjukkan pola khas bernama chirp. Sinyal tersebut semakin kuat dan frekuensinya meningkat seiring kedua objek mendekati titik tabrakan. Pola ini menjadi salah satu karakteristik penting dalam pengamatan penggabungan lubang hitam.

Berbeda dari tabrakan lubang hitam, simulasi interaksi wormhole justru menghasilkan gelombang gravitasi berupa semburan singkat dan tajam. Bentuk serta kekuatan sinyal tersebut bergantung pada jenis interaksi yang terjadi, baik ketika kedua wormhole bertabrakan langsung maupun hanya saling melintas dalam jarak dekat. Bahkan, beberapa peristiwa ketika wormhole hanya berpapasan menghasilkan semburan gelombang gravitasi yang cukup kuat tanpa membentuk horizon bersama.

Temuan tersebut membuka kemungkinan bahwa interaksi wormhole dapat memiliki karakteristik gelombang gravitasi yang berbeda dari tabrakan lubang hitam pada umumnya. Namun, semburan singkat tanpa pola chirp tidak dapat langsung dianggap sebagai bukti keberadaan wormhole. Lubang hitam juga dapat menghasilkan sinyal serupa dalam kondisi tertentu, sehingga identifikasi objek membutuhkan analisis yang lebih mendalam.

Penelitian ini juga membahas kemungkinan mendeteksi sinyal gelombang gravitasi dari interaksi wormhole menggunakan observatorium modern. Salah satu contoh yang disinggung adalah GW190521, sinyal gelombang gravitasi tidak biasa yang terdeteksi pada 2019. Peristiwa tersebut pernah diteliti sebagai kemungkinan petunjuk fenomena ruang-waktu eksotis, tetapi belum ada bukti bahwa sinyalnya berasal dari wormhole.

Shirokov dan Nachevsky juga mengidentifikasi tantangan besar dalam mendeteksi gelombang gravitasi dari wormhole Ellis-Bronnikov. Jika struktur tersebut terbentuk pada masa awal alam semesta, ekspansi kosmik dapat meregangkan sinyalnya hingga memiliki frekuensi yang sangat rendah. Frekuensi tersebut diperkirakan berada di luar kemampuan deteksi observatorium gelombang gravitasi seperti LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) maupun misi LISA (Laser Interferometer Space Antenna) yang direncanakan.

Agar sinyal seperti yang diprediksi dalam simulasi dapat terdeteksi, wormhole kemungkinan harus terbentuk pada periode yang jauh lebih belakangan dalam sejarah alam semesta. Masalahnya, para ilmuwan belum mengetahui mekanisme yang memungkinkan struktur tersebut terbentuk dalam kondisi demikian. Karena itu, peluang mendeteksi tabrakan wormhole masih menghadapi ketidakpastian besar.

Meski demikian, penelitian ini memberikan gambaran mengenai karakteristik yang dapat dicari apabila suatu saat ilmuwan menemukan sinyal gelombang gravitasi yang tidak biasa. Simulasi tersebut menunjukkan bahwa interaksi dua wormhole dapat menghasilkan berbagai kemungkinan, mulai dari saling menjauh hingga membentuk lubang hitam dengan perilaku horizon yang tidak lazim. Penelitian yang saat ini tersedia melalui server pracetak arXiv tersebut masih menunggu penilaian ilmiah lebih lanjut, sehingga hasilnya perlu dipahami sebagai prediksi teoretis, bukan bukti bahwa wormhole benar-benar ada di alam semesta.