Lubang hitam supermasif di alam semesta awal menantang teori kosmologis

Gambaran seniman tentang wilayah inti terang quasar, sebuah galaksi aktif. Lubang hitam supermasif di pusatnya dikelilingi oleh piringan gas dan debu yang terang. Komponen debu terluar dapat mengaburkan pandangan interior dan bersinar terutama dalam rentang inframerah tengah, cahaya yang dapat dianalisis oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb. Sinar partikel berenergi tinggi muncul ke luar angkasa dari sekitar lubang hitam yang tegak lurus dengan piringan. Hak Cipta: © T. Müller / MPIA

Hal yang mengejutkan adalah bahwa lubang hitam sudah memiliki berat lebih dari satu miliar massa matahari di alam semesta awal meskipun nafsu makannya rata-rata.

Saat melihat tahap awal alam semesta, yaitu berusia 13,8 miliar tahun, Teleskop Luar Angkasa James Webb Dia mengamati galaksi yang baru ada 700 juta tahun yang lalu ledakan besar itu. Sungguh membingungkan bagaimana caranya Lubang hitam Lubang hitam di pusatnya sudah berbobot satu miliar massa matahari ketika alam semesta masih dalam masa pertumbuhan. Pengamatan James Webb dirancang untuk melihat lebih dekat mekanisme pemberian makan, namun ia tidak menemukan sesuatu yang luar biasa. Jelas sekali, lubang hitam telah berkembang dengan cara yang mirip dengan apa yang terjadi saat ini. Namun temuan ini bahkan lebih penting: Ini menunjukkan bahwa para astronom hanya mengetahui lebih sedikit tentang bagaimana galaksi terbentuk dibandingkan yang mereka perkirakan. Namun, pengukurannya tidak mengecewakan. Di sisi lain.

Misteri lubang hitam awal

Miliaran tahun pertama sejarah alam semesta menimbulkan tantangan besar: lubang hitam tertua yang diketahui berada di pusat galaksi memiliki massa yang sangat besar. Bagaimana itu bisa menjadi begitu besar dengan begitu cepat? Pengamatan baru yang dijelaskan di sini memberikan bukti kuat yang menentang beberapa penjelasan yang diajukan, terutama terhadap “mode pemberian makan yang sangat efisien” pada lubang hitam pertama.

Batasan pertumbuhan lubang hitam supermasif

Bintang dan galaksi telah berubah secara dramatis selama 13,8 miliar tahun terakhir, usia alam semesta. Galaksi-galaksi menjadi lebih besar dan bertambah massanya, baik karena mengonsumsi gas di sekitarnya atau (terkadang) karena bergabung satu sama lain. Sejak lama, para astronom berasumsi bahwa lubang hitam masif di pusat galaksi secara bertahap akan tumbuh seiring dengan galaksi itu sendiri.

Namun pertumbuhan lubang hitam tidak bisa terjadi dengan cepat. Materi yang jatuh ke lubang hitam membentuk “cakram akresi” yang panas dan terang. Jika hal ini terjadi di sekitar lubang hitam supermasif, hasilnya adalah inti galaksi yang aktif. Objek paling terang, yang dikenal sebagai quasar, adalah salah satu objek astronomi paling terang di seluruh alam semesta. Namun kecerahan ini membatasi jumlah materi yang dapat jatuh ke dalam lubang hitam: cahaya memberikan tekanan yang dapat mencegah jatuhnya materi tambahan.

Bagaimana lubang hitam bisa menjadi begitu besar dan begitu cepat?

Itu sebabnya para astronom terkejut ketika pengamatan quasar jauh selama 20 tahun terakhir mengungkapkan lubang hitam yang baru terbentuk, namun massanya mencapai sepuluh miliar massa matahari. Cahaya membutuhkan waktu yang lama untuk merambat dari suatu benda yang jauh ke kita, sehingga memandang benda yang jauh berarti melihat ke masa lalu yang jauh. Kita melihat quasar terjauh yang diketahui ada pada era yang dikenal sebagai “fajar alam semesta”, kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang, ketika bintang dan galaksi pertama terbentuk.

Menjelaskan lubang hitam masif awal ini merupakan tantangan besar bagi model evolusi galaksi saat ini. Mungkinkah lubang hitam masa awal lebih efisien dalam mengumpulkan gas dibandingkan lubang hitam modern? Atau mungkinkah keberadaan debu mempengaruhi perkiraan massa quasar sehingga membuat para peneliti melebih-lebihkan perkiraan massa lubang hitam awal? Ada banyak penjelasan yang diajukan saat ini, namun tidak ada yang diterima secara luas.

Melihat lebih dekat pertumbuhan awal lubang hitam

Menentukan penjelasan mana yang benar – jika ada – memerlukan gambaran quasar yang lebih lengkap daripada yang tersedia sebelumnya. Dengan munculnya Teleskop Luar Angkasa James Webb, dan khususnya instrumen inframerah tengah MIRI, kemampuan para astronom untuk mempelajari quasar jauh telah mengalami lompatan besar. Saat mengukur spektrum quasar jauh, MIRI sekitar 4.000 kali lebih sensitif dibandingkan instrumen sebelumnya.

Instrumen seperti MIRI dibuat oleh konsorsium internasional, tempat para ilmuwan, insinyur, dan teknisi bekerja sama secara erat. Tentu saja, konsorsium sangat tertarik untuk menguji apakah alat mereka berfungsi sesuai rencana. Sebagai imbalan atas pembuatan alat tersebut, konsorsium biasanya diberi waktu pemantauan tertentu. Pada tahun 2019, beberapa tahun sebelum peluncuran JWST, Konsorsium MIRI Eropa memutuskan untuk menggunakan sebagian waktu tersebut untuk mengamati quasar terjauh yang diketahui, sebuah objek yang dijuluki J1120+0641.

Mengamati salah satu lubang hitam tertua

Pengamatan tersebut dianalisis oleh Dr. Sarah Bosman, peneliti postdoctoral di Institut Astronomi Max Planck dan anggota Konsorsium MIRI Eropa. Kontribusi MPIA terhadap instrumen MIRI mencakup pembangunan sejumlah bagian internal penting. Boseman diminta bergabung dalam kolaborasi MIRI khusus untuk memberikan keahlian tentang cara terbaik menggunakan instrumen tersebut untuk mempelajari alam semesta awal, khususnya lubang hitam supermasif pertama.

Pengamatan dilakukan pada Januari 2023, pada siklus pertama pengamatan Teleskop James Webb, dan berlangsung sekitar dua setengah jam. Ini merupakan studi inframerah-tengah pertama dari quasar selama periode fajar kosmik, hanya 770 juta tahun setelah Big Bang (pergeseran merah z=7). Informasi tersebut tidak berasal dari gambar, namun dari spektrum: penguraian cahaya suatu benda menjadi komponen-komponen dengan panjang gelombang berbeda, mirip dengan pelangi.

Lacak debu dan gas yang bergerak cepat

Bentuk umum spektrum inframerah-tengah (“kontinu”) mengkodekan karakteristik cincin debu besar yang mengelilingi piringan akresi pada quasar yang khas. Cincin ini membantu mengarahkan materi ke dalam piringan akresi, “memberi makan” ke lubang hitam. Kabar buruknya bagi mereka yang lebih memilih memecahkan masalah lubang hitam masif awal terletak pada metode alternatif pertumbuhan yang cepat: cincin, dan dengan demikian mekanisme pemberian makan pada quasar awal ini, tampaknya sama dengan lubang hitam yang lebih modern. Satu-satunya perbedaan adalah sesuatu yang tidak dapat diprediksi oleh model pertumbuhan cepat quasar awal: suhu debu sedikit lebih tinggi, sekitar seratus Kelvin lebih hangat daripada 1.300 Kelvin yang ditemukan pada debu yang lebih panas di quasar yang berjarak lebih dekat.

Bagian spektrum dengan panjang gelombang yang lebih pendek, yang didominasi oleh emisi dari piringan akresi itu sendiri, menunjukkan kepada kita para pengamat yang jauh bahwa cahaya quasar tidak diredupkan oleh lebih banyak debu daripada biasanya. Argumen bahwa kita mungkin melebih-lebihkan massa awal lubang hitam karena banyaknya debu juga bukanlah jawabannya.

Quasar awal 'sangat normal'

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

“Secara keseluruhan, pengamatan baru ini menambah misteri: quasar awal ternyata sangat normal. Tidak peduli pada panjang gelombang apa kita mengamatinya, quasar hampir identik di semua zaman di alam semesta,” kata Bosman. Tidak hanya lubang hitam supermasif itu sendiri, tetapi juga mekanisme makannya telah sepenuhnya “matang” ketika alam semesta baru berusia 5% dari usianya saat ini. Dengan mengesampingkan sejumlah solusi alternatif, temuan ini sangat mendukung gagasan bahwa lubang hitam supermasif awalnya bermassa besar, dalam terminologi astronomi: “primordial” atau “masif.” Lubang hitam supermasif tidak terbentuk dari sisa-sisa bintang awal, namun kemudian berkembang dengan sangat cepat. Mereka pasti terbentuk lebih awal dengan massa awal setidaknya 100.000 massa matahari, mungkin akibat runtuhnya awan gas awal yang sangat besar.

Referensi: “Kuasar matang pada awal mula alam semesta terdeteksi oleh spektroskopi inframerah bingkai stasioner JWST” oleh Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock dan Bart Vandenbosche, 17 Juni 2024, Astronomi alam.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0