Cara membuat lubang hitam dari udara tipis

Berapa banyak cara untuk meninggalkan alam semesta ini?

Mungkin sutradara paling terkenal menyebabkan kematian seorang bintang. Pada tahun 1939, fisikawan J. Robert Oppenheimer dan muridnya Harlan Snyder, dari Universitas California, Berkeley, menemukan bahwa ketika sebuah bintang yang cukup masif kehabisan bahan bakar termonuklir, ia akan runtuh ke dalam dan terus runtuh selamanya, menyusutkan ruang, waktu, dan ruang. Cahaya mengubah dirinya menjadi apa yang sekarang disebut lubang hitam.

Namun ternyata bintang mati mungkin tidak diperlukan untuk membentuk lubang hitam. Sebaliknya, setidaknya di alam semesta awal, awan gas purba raksasa mungkin telah runtuh langsung ke dalam lubang hitam, melewati jutaan tahun masa bintangnya.

Itulah kesimpulan sementara yang baru-baru ini dicapai oleh sekelompok astronom yang mempelajari UHZ-1, setitik cahaya yang berasal tidak lama setelah Big Bang. Faktanya, UHZ-1 adalah quasar kuat yang menembakkan api dan sinar-X dari lubang hitam supermasif 13,2 miliar tahun yang lalu, ketika alam semesta belum genap berusia 500 juta tahun.

Dalam istilah kosmologis, hal ini sangatlah dekat, karena lubang hitam supermasif bisa muncul melalui keruntuhan dan penggabungan bintang. Priyamvada Natarajan, astronom di Universitas Yale dan penulis utama Makalah diterbitkan di jurnal Astrophysical LettersDia dan rekan-rekannya mengonfirmasi bahwa mereka telah menemukan tipe langit baru di UHZ-1, yang mereka sebut galaksi lubang hitam supermasif, atau OBG. Pada intinya, OBG adalah galaksi muda yang berlabuh di lubang hitam yang menjadi sangat besar dengan sangat cepat. .

Penemuan quasar awal ini dapat membantu para astronom memecahkan misteri terkait yang telah membingungkan mereka selama beberapa dekade. Hampir setiap galaksi yang terlihat di alam semesta modern tampaknya memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya yang jutaan miliar kali massa Matahari. Darimana monster-monster itu berasal? Mungkinkah lubang hitam biasa tumbuh begitu cepat?

Natarajan dan rekan-rekannya berpendapat bahwa UHZ-1, dan mungkin banyak lubang hitam supermasif, berawal dari awan primordial. Awan-awan ini mungkin telah runtuh menjadi butiran-butiran yang beratnya sebelum waktunya, cukup untuk memulai pertumbuhan galaksi-galaksi lubang hitam raksasa. Ini adalah pengingat lain bahwa alam semesta yang kita lihat diatur oleh geometri kegelapan yang tak kasat mata.

“Sebagai kandidat OBG pertama, UHZ-1 memberikan bukti kuat tentang pembentukan benih proto berat dari keruntuhan langsung di awal alam semesta,” tulis Dr. Natarajan dan rekan-rekannya. “Tampaknya alam menciptakan benih BH dengan berbagai cara,” tambahnya melalui email, “lebih dari sekadar kematian bintang!”

“Bria telah menemukan lubang hitam yang sangat menarik, jika itu benar,” kata Daniel Holz, ahli teori di Universitas Chicago yang mempelajari lubang hitam.

Dia menambahkan: “Ini terlalu besar dan terlalu dini. Ini seperti melihat ke dalam kelas taman kanak-kanak, dan di antara semua anak berusia 5 tahun ada satu yang tingginya 150 pon dan/atau enam kaki.

Menurut cerita yang terus diceritakan para astronom tentang evolusi alam semesta, bintang-bintang pertama terkondensasi dari awan hidrogen dan helium yang tersisa dari Big Bang. Mereka terbakar panas dan cepat, dengan cepat meledak dan runtuh membentuk lubang hitam 10 hingga 100 kali massa Matahari.

Selama ribuan tahun, generasi bintang berturut-turut telah terbentuk dari abu bintang sebelumnya, sehingga memperkaya kimia alam semesta. Lubang hitam yang tersisa dari kematiannya terus bergabung dan tumbuh dengan cara tertentu, membentuk lubang hitam supermasif di pusat galaksi.

Teleskop Luar Angkasa James Webb, yang diluncurkan dua tahun lalu pada Natal ini, dirancang untuk menguji gagasan ini. Ia memiliki cermin terbesar di ruang angkasa, berukuran diameter 21 kaki. Yang terpenting, ia dirancang untuk merekam panjang gelombang inframerah yang dipancarkan oleh cahaya bintang terjauh dan tertua di alam semesta.

Namun begitu teleskop baru diarahkan ke langit, teleskop baru tersebut dapat melihat galaksi-galaksi baru yang begitu masif dan terang sehingga melampaui ekspektasi para kosmolog. Perdebatan bermunculan selama dua tahun terakhir mengenai apakah pengamatan ini benar-benar mengancam model alam semesta yang sudah lama ada. Model tersebut menggambarkan alam semesta terdiri dari jejak materi yang terlihat, jumlah “materi gelap” yang menakjubkan, yang memberikan gravitasi untuk mengikat galaksi-galaksi, dan “energi gelap”, yang mendorong galaksi-galaksi tersebut terpisah.

Penemuan UHZ-1 mewakili titik balik dalam diskusi ini. Untuk mempersiapkan pengamatan di masa depan dengan Teleskop Luar Angkasa James Webb terhadap sekelompok galaksi besar di konstelasi Sculptor, tim Dr. Natarajan meminta waktu di Observatorium Sinar-X Chandra milik NASA. Massa cluster bertindak sebagai lensa gravitasi, memperbesar objek di belakangnya dalam ruang dan waktu. Para peneliti berharap mendapatkan gambaran sinar-X tentang apa pun yang mungkin dilihat oleh lensa.

Apa yang mereka temukan adalah quasar yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif yang berukuran sekitar 40 juta kali massa Matahari. Pengamatan lebih lanjut oleh Teleskop Webb mengkonfirmasi bahwa jaraknya 13,2 miliar tahun cahaya. (The Sculptor Cluster terletak sekitar 3,5 miliar tahun cahaya jauhnya.) Ini adalah quasar terjauh dan tertua yang pernah ditemukan di alam semesta.

“Kami membutuhkan Webb untuk menemukan galaksi yang sangat jauh ini, dan Chandra untuk menemukan lubang hitam supermasifnya,” kata Akos Bogdan dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian dalam siaran persnya. “Kami juga memanfaatkan kaca pembesar kosmik yang meningkatkan jumlah cahaya yang kami deteksi.”

Hasilnya menunjukkan bahwa lubang hitam supermasif telah ada 470 juta tahun setelah Big Bang. Itu tidak cukup waktu untuk memungkinkan lubang hitam yang diciptakan oleh bintang generasi pertama – yang berkisar antara 10 hingga 100 massa matahari – tumbuh sebesar itu.

Apakah ada cara lain untuk membentuk lubang hitam yang lebih besar? Pada tahun 2017, Dr. Natarajan mengemukakan bahwa runtuhnya awan gas purba dapat melahirkan lubang hitam 10.000 kali lebih besar dari Matahari.

“Anda kemudian dapat membayangkan salah satu dari mereka kemudian tumbuh membentuk lubang hitam awal yang kecil dan besar,” kata Dr. Holz. Akibatnya, ia mencatat, “Dalam setiap waktu berikutnya dalam sejarah alam semesta, akan selalu ada lubang hitam yang sangat besar.”

“Fakta bahwa objek-objek ini berawal dari kehidupan hipermasif berarti mereka kemungkinan besar akan berevolusi menjadi lubang hitam supermasif,” kata Dr. Natarajan. Tapi tidak ada yang tahu cara kerjanya. Lubang hitam membentuk 10% massa quasar awal UHZ-1, sementara massanya kurang dari seperseribu galaksi modern seperti galaksi raksasa Messier 87, yang lubang hitamnya bermassa 6,5 ​​massa. Satu miliar massa matahari saat gambarnya diambil oleh Event Horizon Telescope pada tahun 2019.

Hal ini menunjukkan bahwa efek umpan balik lingkungan yang kompleks mendominasi pertumbuhan dan evolusi galaksi-galaksi ini beserta lubang hitamnya, menyebabkan galaksi-galaksi tersebut mengakumulasi lebih banyak massa pada bintang dan gas.

“Faktanya, OBG yang sangat awal ini menyebarkan dan menjelaskan lebih banyak informasi tentang fisika benih dibandingkan pertumbuhan dan perkembangan selanjutnya,” kata Dr. Natarajan. “Meskipun itu memiliki implikasi penting,” tambahnya.

“Tentu saja akan sangat bagus jika hal itu terjadi, tapi saya tidak begitu tahu,” kata Dr. Holz. “Ini akan menjadi cerita yang menarik terlepas dari bagaimana misteri awal lubang hitam besar terpecahkan,” tambahnya.