Bab ini berfokus pada objek dan peristiwa di alam semesta di mana gravitasi sangat kuat atau kecepatan sangat tinggi, sehingga Hukum Gravitasi Newton dan mekanika klasik tidak lagi memadai, dan harus menggunakan Teori Relativitas Umum Einstein.

1. Relativitas Umum dan Fisika Gravitasi

A. Konsep Dasar Relativitas Umum

• Ruang-Waktu (Spacetime): Relativitas Umum mengajarkan bahwa ruang dan waktu tidak terpisah, melainkan terjalin menjadi satu kesatuan empat dimensi.
• Gravitasi sebagai Kelengkungan: Gravitasi bukanlah gaya, melainkan manifestasi dari kelengkungan (curvature) ruang-waktu yang disebabkan oleh adanya massa dan energi. Objek bergerak pada lintasan lurus (geodesik) dalam ruang-waktu yang melengkung.
• Prediksi Kunci: Relativitas Umum memprediksi efek-efek yang telah dikonfirmasi, termasuk:
  • Pembelokan Cahaya: Cahaya dibelokkan ketika melewati massa besar (misalnya, Matahari atau gugus galaksi), sebuah fenomena yang disebut Lensa Gravitasi (Gravitational Lensing).
  • Pergeseran Merah Gravitasi: Cahaya kehilangan energi saat bergerak menjauhi sumber gravitasi yang kuat.

B. Lubang Hitam (Black Holes)

Lubang hitam adalah prediksi paling ekstrem dari Relativitas Umum.

• Singularitas: Titik di pusat lubang hitam di mana seluruh massa terpusat, dan densitasnya tak terhingga.
• Horizon Peristiwa (Event Horizon): Batas ruang-waktu di sekitar singularitas di mana kecepatan lepas (escape velocity) sama dengan kecepatan cahaya. Begitu materi atau cahaya melewatinya, ia tidak dapat kembali. Jari-jari batas ini adalah Radius Schwarzschild ($R_s$).
• Tipe Lubang Hitam:
  • Stellar-mass Black Holes: Terbentuk dari keruntuhan bintang masif ($\approx 3$ hingga $100 M_{\odot}$).
  • Supermassive Black Holes (SMBHs): Ditemukan di pusat galaksi (jutaan hingga miliaran $M_{\odot}$).
  • Intermediate-mass Black Holes (IMBHs): Hipotetis, terletak di antara dua jenis di atas.

2. Astrofisika Bintang Neutron dan Pulsa

A. Bintang Neutron (Neutron Stars)

• Sisa bintang yang sangat padat dari ledakan supernova (massanya antara $1.4 M_{\odot}$ hingga sekitar $3 M_{\odot}$).
• Sebuah bintang neutron memiliki densitas sedemikian rupa sehingga satu sendok teh materinya akan berbobot miliaran ton. Gravitasinya sangat kuat, dan permukaannya sangat mulus.

B. Pulsar

• Pulsar adalah Bintang Neutron yang berputar sangat cepat dan memancarkan balok radiasi elektromagnetik kuat dari kutub magnetnya.
• Jika balok radiasi menyapu Bumi secara periodik, kita mendeteksinya sebagai pulsa radio teratur (seperti mercusuar kosmik).

3. Astronomi Multi-Messenger (MMA)

MMA adalah metode observasi baru yang menggabungkan informasi dari berbagai “utusan” kosmik.

A. Gelombang Gravitasi (Gravitational Waves – GW)

• GW adalah riak dalam kain ruang-waktu yang dihasilkan oleh percepatan objek yang sangat masif.
• Deteksi: Dideteksi oleh observatorium seperti LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
• Sumber Utama GW:
  • Penggabungan (Merger) Dua Lubang Hitam (Binary Black Hole).
  • Penggabungan Dua Bintang Neutron (Binary Neutron Star)—peristiwa ini juga menghasilkan Kilonova yang memancarkan cahaya.

B. Utusan Lain

• Neutrino: Membawa informasi dari inti padat dan lingkungan ledakan supernova.
• Sinar Kosmik: Partikel berenergi tinggi yang memungkinkan kita mempelajari mekanisme akselerasi partikel di sumber-sumber ekstrem seperti inti galaksi aktif (AGN).

4. Inti Galaksi Aktif (Active Galactic Nuclei – AGN)

AGN adalah daerah pusat galaksi yang memancarkan energi yang luar biasa besar, jauh melebihi jumlah energi yang dipancarkan oleh semua bintang dalam galaksi tersebut.

• Model Umum: AGN ditenagai oleh Lubang Hitam Supermasif (SMBH) yang aktif mengakresi (menelan) gas dan debu dari cakram akresi di sekitarnya.
• Tipe AGN: AGN memiliki berbagai nama berdasarkan sudut pandang kita, tetapi mereka mungkin merupakan fenomena yang sama:
  • Quasar: AGN yang sangat terang dan jauh.
  • Blazar: Quasar yang jet-nya (pancaran partikel berenergi tinggi) diarahkan langsung ke Bumi.
  • Galaksi Seyfert: AGN yang lebih dekat dan kurang terang.