Pada 1783, astronom Inggris, John Michell, adalah orang pertama yang bertanya-tanya apa yang akan terjadi bila sebuah bintang menjadi begitu besar sehingga cahaya sendiri tidak dapat melarikan diri darinya. Setiap objek, sepengetahuannya, mempunyai “kecepatan pelarian” (escape velocity), kecepatan yang dibutuhkan untuk meninggalkan tarikan gravitasinya. (Untuk Bumi, misalnya, kecepatan pelariannya adalah 25.000 mil per jam, kecepatan yang harus dicapai roket untuk lepas dari gravitasi Bumi.)
Michell penasaran apa yang mungkin terjadi jika sebuah bintang menjadi begitu masif sehingga kecepatan pelariannya setara dengan kecepatan cahaya. Gravitasinya akan begitu besar sehingga tak ada yang bisa melarikan diri darinya, bahkan cahaya itu sendiri, dan karenanya objek tersebut akan terlihat hitam bagi dunia luar. Dalam beberapa hal, menemukan objek semacam itu di angkasa akan mustahil, karena ia tidak akan bisa dilihat.
Pertanyaan “bintang gelap” Michell sebagian besar dilupakan selama satu setengah abad. Tapi persoalan tersebut mengemuka kembali pada 1916, saat Karl Schwarzschild, seorang fisikawan Jerman yang ikut dalam pasukan Jerman dalam front Rusia, menemukan solusi tepat bagi persamaan Einstein untuk bintang masif. Hingga hari ini pun, solusi Schwarzschild dikenal sebagai solusi tepat yang paling sederhana dan elegan bagi persamaan Einstein. Einstein takjub bahwa Schwarzschild bisa menemukan sebuah solusi bagi persamaan tensor rumitnya sambil menghindari tembakan artileri. Dia juga takjub bahwa solusi Schwarzschild memiliki sifat yang khas.
Solusi Schwarzschild, dari jauh, mungkin merepresentasikan gravitasi sebuah bintang biasa, dan Einstein cepat-cepat menggunakan solusi tersebut untuk mengkalkulasi gravitasi di sekeliling Matahari dan mengecek kalkulasi dia sebelumnya, di mana dia telah membuat taksiran. Untuk ini dia selalu berterima kasih kepada Schwarzschild. Tapi dalam paper kedua Schwarzschild, dia menunjukkan bahwa di sekeliling bintang yang sangat masif terdapat “bulatan gaib” imajiner dengan atribut ganjil. “Bulatan gaib” ini adalah point
of no return (titik di mana kita tak dapat kembali darinya—penj). Setiap orang
dalam bintang, takkan pernah terlihat lagi. Cahaya pun tidak dapat lari jika jatuh ke dalam bulatan ini. Schwarzschild tidak menyadari bahwa dirinya tengah menemukan ulang bintang gelap Michell, melalui persamaan Einstein.
Berikutnya dia mengkalkulasi radius bulatan gaib ini (disebut radius Schwarzschild). Untuk objek seukuran Matahari kita, bulatan gaib tersebut beradius sekitar 3 kilometer (kira-kira 2 mil). (Untuk Bumi, radius Schwarzschild-nya adalah sekitar 1 centimeter.) Artinya jika seseorang dapat memampatkan radius Matahari menjadi seukuran 2 mil, maka ia akan menjadi bintang gelap dan melahap setiap objek yang melintasi titik tanpa kembali ini.
Secara eksperimen, eksistensi bulatan gaib ini tidak menimbulkan masalah, karena mustahil untuk menjejal Matahari menjadi seukuran 2 mil. Tak ada mekanisme yang diketahui untuk menciptakan bintang sefantastik itu. Tapi secara teoritis, itu merupakan malapetaka. Walaupun teori relativitas umum Einstein dapat memberikan hasil brilian, seperti penekukan cahaya bintang di sekitar Matahari, teori tersebut tidak dapat dimengerti ketika Anda mendekati bulatan gaib itu sendiri, di mana gravitasi menjadi tak terhingga.
Seorang fisikawan Belanda, Johannes Droste, kemudian memperlihatkan bahwa solusi tersebut bahkan lebih gila lagi. Menurut relativitas, sorot cahaya, dia memperlihatkan, akan menekuk hebat sewaktu membeloki objek. Kenyataannya, pada 1,5 kali radius Schwarzschild, sorot cahaya sebetulnya mengorbit melingkar di sekeliling sebuah bintang. Droste memperlihatkan bahwa distorsi waktu yang ditemukan pada relativitas umum seputar bintang-bintang masif ini jauh lebih buruk daripada yang ditemukan pada relativitas khusus. Dia menunjukkan bahwa, saat Anda mendekati bulatan gaib ini, seseorang dari suatu jarak akan mengatakan bahwa jam Anda semakin melambat, hingga jam Anda berhenti total ketika Anda mengenai objek tersebut. Seseorang dari luar akan mengatakan bahwa Anda terbeku dalam waktu selagi Anda mencapai bulatan gaib. Karena waktu sendiri akan berhenti di titik ini, beberapa ilmuwan percaya bahwa objek seganjil itu tak mungkin eksis di alam. Yang membuat persoalan semakin menarik, matematikawan Herman Weyl menunjukkan bahwa bila seseorang menginvestigasi dunia di dalam bulatan gaib itu, seolah-olah terdapat alam semesta lain di sisi lain.
Ini semua begitu fantastik sehingga Einstein pun tidak bisa mempercayainya. Pada 1922, dalam sebuah konferensi di Paris, Einstein ditanya oleh matematikawan Jacques Hadamard soal apa yang akan terjadi
jika “singularitas” ini nyata, yakni, jika gravitasi menjadi tak terhingga pada radius Schwarzschild. Einstein menjawab, “Itu akan menjadi malapetaka nyata bagi teori tersebut; dan akan sangat sulit untuk mengatakan secara a priori apa yang mungkin terjadi secara fisikal, sebab rumus tersebut tidak berlaku lagi.” Einstein di kemudian hari menyebut ini sebagai “malapetaka Hadamard”. Tapi dia berpikir bahwa semua kontroversi seputar bintang gelap ini adalah spekulasi belaka. Pertama, tidak ada yang pernah melihat objek seganjil itu, dan barangkali mereka tidak eksis, yaitu, mereka tidak fisikal. Selain itu, Anda akan tergumal sampai mati jika jatuh ke dalamnya. Dan karena tidak ada yang pernah melewati bulatan gaib tersebut (karena waktu telah berhenti), tak ada yang pernah memasuki alam semesta paralel ini.
Pada 1920-an, fisikawan kebingungan bukan kepalang mengenai isu ini. Tapi pada 1932, sebuah terobosan penting dibuat oleh Georges Lemaitre, bapak teori big bang. Dia menunjukkan bahwa bulatan gaib bukanlah singularitas sama sekali di mana gravitasi menjadi tak terhingga; ia hanya ilusi matematis yang disebabkan oleh pemilihan set matematika yang sial. (Bila seseorang memilih set koordinat atau variabel berbeda untuk menguji bulatan gaib, singularitas lenyap.)
Mengambil temuan ini, kosmolog H. P. Robertson kemudian menguji ulang temuan awal Droste bahwa waktu berhenti di bulatan gaib itu. Dia menemukan bahwa waktu berhenti hanya dari titik menguntungkan seorang pengamat yang menyaksikan sebuah kapal roket memasuki bulatan gaib. Dari titik menguntungkan kapal roket itu sendiri, hanya perlu sepecahan detik bagi gravitasi untuk menghisap Anda yang persis melewati bulatan gaib. Dengan kata lain, seorang pelancong antariksa yang cukup sial menembus bulatan gaib akan mendapati dirinya tergumal sampai mati hampir secara seketika, tapi menurut seorang pengamat yang menyaksikan dari luar, akan terlihat memerlukan waktu ribuan tahun.
Ini temuan penting. Artinya bulatan gaib dapat dijangkau dan tidak mungkin lagi diabaikan sebagai barang ganjil matematika. Seseorang harus serius mempertimbangkan apa yang mungkin terjadi jika seseorang menembus bulatan gaib itu. Fisikawan lalu mengkalkulasi akan seperti apa perjalanan menembus bulatan gaib itu. (Hari ini, bulatan gaib ini disebut horizon peristiwa. Horizon merujuk kepada titik terjauh yang bisa dilihat oleh seseorang. Di sini, ia merujuk kepada titik terjauh yang bisa ditempuh oleh cahaya. Radius horizon peristiwa disebut radius Schwarzschild.)
Sewaktu Anda mendekati black hole dengan kapal roket, Anda akan melihat cahaya yang telah ditangkap miliaran tahun lalu oleh black hole, ketika
black hole tersebut sendiri pertama kali terbentuk. Dengan kata lain, sejarah
kehidupan black hole akan terungkap kepada Anda. Sewaktu Anda mendekat, gaya-gaya tidal akan secara bertahap merobek-robek atom-atom tubuh Anda, sampai nukleus atom Anda pun menjadi terlihat seperti spageti. Perjalanan menembus horizon peristiwa akan menjadi perjalanan satu arah, karena gravitasi akan begitu hebat sehingga Anda tidak terelakkan lagi akan terhisap persis ke pusat, di mana Anda akan tergumal sampai mati. Sekali berada di dalam horizon peristiwa, tidak akan ada jalan kembali. (Untuk meninggalkan horizon peristiwa, seseorang harus berjalan lebih cepat daripada cahaya, yang mana adalah mustahil.)
Pada 1939, Einstein menulis sebuah paper di mana dia mencoba mengabaikan bintang gelap seperti itu, mengklaim bahwa mereka tidak bisa terbentuk oleh proses alami. Dia memulai dengan mengasumsikan bahwa sebuah bintang terbentuk dari kumpulan debu, gas, dan puing beterbangan yang berotasi dalam bulatan, lambat laun berkumpul menyatu lantaran gravitasi. Dia kemudian menunjukkan bahwa kumpulan partikel beterbangan ini takkan pernah kolaps ke bawah radius, dan karenanya takkan pernah menjadi black hole. Paling banter, massa partikel beterbangan ini akan mendekati 1,5 kali radius Schwarzschild, dan karenanya black hole takkan pernah terbentuk. (Untuk jatuh ke bawah 1,5 kali radius Schwarzschild, seseorang harus berjalan lebih cepat daripada kecepatan cahaya, yang mana adalah mustahil.) “Hasil esensial dari investigasi ini adalah pemahaman gamblang tentang mengapa ‘singularitas Schwarzschild’ tidak eksis di realitas fisik,” tulis Einstein.
Arthur Eddington, juga, mempunyai keberatan mendalam mengenai
black hole dan mempunyai kecurigaan abadi bahwa mereka tidak pernah
mungkin eksis. Dia suatu kali mengatakan bahwa pasti “ada hukum Alam yang mencegah sebuah bintang berperilaku secara absurd ini”.
Ironisnya, pada tahun yang sama, J. Robert Oppenheimer (yang di kemudian hari menciptakan bom atom) dan mahasiswanya, Hartland Snyder, menunjukkan bahwa black hole memang bisa terbentuk, lewat mekanisme lain. Bukannya mengasumsikan bahwa black hole muncul dari kumpulan partikel beterbangan yang kolaps akibat gravitasi; sebagai titik tolak, mereka menggunakan sebuah bintang masif tua yang telah menghabiskan bahan
bakar nuklirnya dan termampatkan oleh gravitasi ke bawah radius Schwarzschild 80 mil-nya, di mana ia tak terelakkan lagi akan kolaps menjadi
black hole. Black hole, kata mereka, bukan hanya mungkin, tapi juga menjadi
titik akhir alami bagi miliaran bintang raksasa sekarat di galaksi. (Barangkali ide implosi, yang dipelopori oleh Oppenheimer pada 1939, memberinya inspirasi untuk mekanisme implosi yang dipakai dalam bom atom beberapa tahun kemudian.)