Saturday, 13 Jul 2024

Lubang Hitam yang Sangat Besar di Awal Alam Semesta Menantang Teori Kosmik

RisalahPos
5 Jul 2024 08:45
7 minutes reading

Gambaran artistik dari wilayah inti terang sebuah quasar, galaksi aktif. Lubang hitam supermasif di bagian tengah dikelilingi oleh cakram gas dan debu yang terang. debu yang lebih jauh dapat mengaburkan pandangan bagian dalam dan bersinar terutama dalam rentang inframerah tengah, cahaya yang dapat dianalisis oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Berkas partikel tinggi yang dibundel menonjol ke luar angkasa dari sekitar lubang hitam yang tegak lurus dengan cakram. Kredit: © T. Müller / MPIA

Anehnya tidak spektakuler: Lubang hitam sudah memiliki berat lebih dari satu miliar massa matahari di alam semesta awal meskipun nafsu makannya rata-rata.

Mengintip tahap awal alam semesta berusia 13,8 miliar tahun, Teleskop Luar Angkasa James Webb telah menemukan galaksi yang ada hanya 700 juta tahun setelah Dentuman BesarSungguh membingungkan bagaimana lubang hitam di pusatnya sudah bisa berbobot satu miliar massa matahari ketika alam semesta masih dalam tahap awal. Pengamatan James Webb dirancang untuk mengamati lebih dekat mekanisme makan, tetapi mereka tidak menemukan sesuatu yang luar biasa. Rupanya, lubang hitam sudah tumbuh dengan cara yang sama seperti saat ini. Namun hasilnya jauh lebih signifikan: ini bisa menunjukkan bahwa para astronom kurang tahu tentang bagaimana galaksi terbentuk daripada yang mereka kira. Namun, pengukurannya sama sekali tidak mengecewakan. Sebaliknya.

Misteri Lubang Hitam Awal

Miliaran tahun pertama sejarah kosmik menimbulkan tantangan: Lubang hitam paling awal yang diketahui di pusat galaksi memiliki massa yang sangat besar. Bagaimana mereka bisa menjadi begitu besar dan begitu cepat? Pengamatan baru yang dijelaskan di sini memberikan bukti kuat terhadap beberapa penjelasan yang diajukan, terutama terhadap “mode makan yang sangat efektif” untuk lubang hitam paling awal.

Batasan Pertumbuhan Lubang Hitam Supermasif

Bintang dan galaksi telah berubah secara drastis selama 13,8 miliar tahun terakhir, masa hidup Alam Semesta. Galaksi telah tumbuh lebih besar dan memperoleh lebih banyak massa, baik dengan mengonsumsi gas di sekitarnya atau (kadang-kadang) dengan bergabung satu sama lain. Untuk waktu yang lama, para astronom berasumsi bahwa lubang hitam supermasif di pusat galaksi akan tumbuh secara bertahap bersama dengan galaksi itu sendiri.

Namun, pertumbuhan lubang hitam tidak bisa berlangsung cepat. Materi yang jatuh ke lubang hitam membentuk “cakram akresi” yang berputar, panas, dan terang. Ketika ini terjadi di sekitar lubang hitam supermasif, hasilnya adalah inti galaksi yang aktif. Objek paling terang seperti itu, yang dikenal sebagai quasar, termasuk objek astronomi paling terang di seluruh kosmos. Namun, kecerahan itu membatasi seberapa banyak materi yang dapat jatuh ke lubang hitam: Cahaya memberikan tekanan, yang dapat mencegah materi tambahan jatuh ke dalamnya.

Bagaimana Lubang Hitam Menjadi Begitu Besar dan Begitu Cepat?

Itulah sebabnya para astronom terkejut ketika, selama dua puluh tahun terakhir, pengamatan quasar yang jauh mengungkap lubang hitam yang sangat muda yang massanya mencapai 10 miliar massa matahari. Cahaya memerlukan waktu untuk bergerak dari objek yang jauh ke kita, jadi melihat objek yang jauh berarti melihat ke masa lalu yang jauh. Kita melihat quasar terjauh yang diketahui seperti pada era yang dikenal sebagai “fajar kosmik,” kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang, ketika bintang dan galaksi pertama terbentuk.

Menjelaskan lubang hitam masif awal merupakan tantangan besar bagi model evolusi galaksi saat ini. Mungkinkah lubang hitam awal jauh lebih efisien dalam mengumpulkan gas daripada lubang hitam modern? Atau mungkinkah keberadaan debu memengaruhi estimasi massa quasar sedemikian rupa sehingga membuat para peneliti melebih-lebihkan massa lubang hitam awal? Ada banyak penjelasan yang diajukan saat ini, tetapi tidak ada yang diterima secara luas.

Melihat Lebih Dekat Pertumbuhan Lubang Hitam Awal

Untuk menentukan penjelasan mana – jika ada – yang benar, diperlukan gambaran yang lebih lengkap tentang quasar daripada yang telah tersedia sebelumnya. Dengan munculnya teleskop ruang angkasa JWST, khususnya instrumen inframerah MIRI, kemampuan para astronom untuk mempelajari quasar yang jauh mengalami kemajuan pesat. Untuk mengukur spektrum quasar yang jauh, MIRI 4000 kali lebih sensitif daripada instrumen sebelumnya.

Instrumen seperti MIRI dibangun oleh konsorsium internasional, dengan para ilmuwan, insinyur, dan teknisi yang bekerja sama secara erat. Tentu saja, sebuah konsorsium sangat tertarik untuk menguji apakah instrumen mereka bekerja sesuai rencana. Sebagai imbalan atas pembangunan instrumen tersebut, konsorsium biasanya diberi waktu pengamatan tertentu. Pada tahun 2019, beberapa tahun sebelum JWST diluncurkan, Konsorsium Eropa MIRI memutuskan untuk menggunakan sebagian waktu ini untuk mengamati apa yang saat itu merupakan quasar terjauh yang diketahui, sebuah objek yang diberi nama J1120+0641.

Mengamati Salah Satu Lubang Hitam Paling Awal

Analisis pengamatan dilakukan oleh Dr. Sarah Bosman, seorang peneliti pascadoktoral di Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) dan anggota konsorsium MIRI Eropa. Kontribusi MPIA terhadap instrumen MIRI mencakup sejumlah komponen internal utama. Bosman diminta untuk bergabung dalam kolaborasi MIRI khususnya untuk menghadirkan keahlian tentang cara terbaik menggunakan instrumen tersebut guna mempelajari alam semesta awal, khususnya lubang hitam supermasif pertama.

Pengamatan dilakukan pada bulan Januari 2023, selama siklus pengamatan pertama JWST, dan berlangsung selama sekitar dua setengah jam. Pengamatan ini merupakan studi inframerah menengah pertama terhadap quasar dalam periode fajar kosmik, hanya 770 juta tahun setelah Big Bang (pergeseran merah z=7). Informasi tersebut tidak berasal dari gambar, tetapi dari spektrum: penguraian cahaya objek menjadi komponen-komponen pada panjang gelombang yang berbeda seperti pelangi.

Menelusuri Debu dan Gas yang Bergerak Cepat

Bentuk keseluruhan spektrum inframerah-tengah (“kontinum”) mengkodekan sifat-sifat torus debu besar yang mengelilingi cakram akresi pada quasar-quasar biasa. Torus ini membantu memandu materi ke cakram akresi, “memberi makan” lubang hitam. Berita buruk bagi mereka yang solusi pilihannya terhadap lubang hitam awal yang masif pada mode pertumbuhan cepat alternatif: Torus, dan dengan perluasan mekanisme pemberian makan pada quasar yang sangat awal ini, tampak sama dengan rekan-rekannya yang lebih modern. Satu-satunya perbedaan adalah satu hal yang tidak diprediksi oleh model pertumbuhan quasar awal yang cepat: suhu debu yang agak lebih tinggi sekitar seratus Kelvin lebih hangat daripada 1300 K yang untuk debu terpanas di quasar yang lebih dekat jaraknya.

Bagian spektrum dengan panjang gelombang yang lebih pendek, yang didominasi oleh emisi dari cakram akresi itu sendiri, menunjukkan bahwa bagi kita sebagai pengamat yang jauh, cahaya quasar tidak diredupkan oleh debu yang lebih banyak dari biasanya. Argumen bahwa mungkin kita hanya melebih-lebihkan massa lubang hitam awal karena debu tambahan juga bukan solusinya.

Quasar Awal “Sangat Normal”

Daerah garis lebar quasar, tempat gumpalan gas mengorbit lubang hitam pada kecepatan mendekati kecepatan cahaya – yang memungkinkan deduksi tentang massa lubang hitam, dan kepadatan serta ionisasi materi di sekitarnya – juga tampak normal. Berdasarkan hampir semua sifat yang dapat disimpulkan dari spektrum, J1120+0641 tidak berbeda dengan quasar di kemudian hari.

“Secara keseluruhan, pengamatan baru hanya menambah misteri: quasar awal sangat normal. Tidak peduli pada panjang gelombang mana kita mengamatinya, quasar hampir identik di semua zaman di Alam Semesta,” kata Bosman. Tidak hanya lubang hitam supermasif itu sendiri, tetapi juga mekanisme makannya tampaknya sudah “matang” ketika Alam Semesta hanya berusia 5% dari usianya saat ini. Dengan mengesampingkan sejumlah solusi alternatif, hasilnya sangat mendukung gagasan bahwa lubang hitam supermasif dimulai dengan massa yang cukup besar sejak awal, dalam istilah astronomi: bahwa mereka “primordial” atau “berbenih besar.” Lubang hitam supermasif tidak terbentuk dari sisa-sisa bintang awal, kemudian tumbuh sangat cepat. Mereka pasti terbentuk lebih awal dengan massa awal setidaknya seratus ribu massa matahari, mungkin melalui keruntuhan awan gas awal yang sangat besar.

Referensi: “Kuasar matang pada fajar kosmik terungkap oleh spektroskopi inframerah bingkai istirahat JWST” oleh Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R. Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin, Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peilußker, Pierluigiker Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Güdel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom P. Ray, Ewine F. van Dishoeck dan Bart Vandenbussche, 17 Juni 2024, Astronomi Alam.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0



RisalahPos.com Network