[비즈한국] Seiring dengan peluncuran Teleskop Luar Angkasa James Webb, muncul sebuah misteri baru dalam dunia astronomi. Yakni titik merah kecil yang disebut Little Red Dots (LRD). Di setiap sudut foto yang diambil oleh James Webb, terdapat titik merah yang tampak samar namun jelas. Titik-titik ini terlalu jauh, terlalu kecil, dan terlalu merah. LRD biasanya ditemukan di alam semesta yang sangat jauh, di masa lalu saat usia alam semesta baru sekitar 1 miliar tahun.
Ukurannya sangat kecil, bahkan dalam beberapa kasus tampak hanya sebesar beberapa ratus tahun cahaya. Ciri-ciri ini membuat LRD sulit dianggap sekadar sebagai galaksi muda di awal alam semesta. Oleh karena itu, para astronom mulai mengajukan berbagai hipotesis yang dramatis dan beragam untuk menjelaskan LRD yang membingungkan ini. Mulai dari hipotesis yang relatif umum bahwa ini adalah galaksi aktif yang dikelilingi oleh debu tebal dan pekat, hingga kemungkinan bahwa ini adalah lubang hitam primordial raksasa yang terbentuk dari gumpalan gas yang menyusut secara serentak di alam semesta awal. Bahkan muncul konsep "bintang lubang hitam", di mana sebuah lubang hitam bersembunyi di dalam bintang yang sangat besar. Namun, tidak ada satu pun yang mampu menjelaskannya dengan sempurna.
Jika LRD adalah galaksi yang penuh dengan bintang, maka bintang-bintang di dalamnya harus berkumpul dengan kepadatan yang sangat luar biasa. Kita harus memadatkan jumlah bintang yang setara dengan Bima Sakti ke dalam skala hanya beberapa ratus tahun cahaya. Sulit juga untuk menganggap bahwa ada lubang hitam aktif di pusat LRD. Karena jika lubang hitam itu tumbuh dengan cepat, seharusnya muncul sinar-X yang justru tidak terlihat. LRD tampak sangat merah, tetapi debu dan sinar-X yang terdeteksi jauh lebih sedikit dari yang diharapkan.
Alasan terbesar mengapa sulit untuk mengetahui identitas LRD adalah karena sulitnya menentukan seberapa berat lubang hitam yang ada di pusatnya. Kita harus mengetahui apakah lubang hitam di dalamnya benar-benar lubang hitam bermassa supermasif, lubang hitam bermassa menengah yang belum sepenuhnya tumbuh, atau apakah memang ada lubang hitam di sana, agar bisa memahami status akurat LRD.
Pada galaksi yang relatif dekat, massa lubang hitam dapat diukur. Jika kita melihat spektrum galaksi, kita bisa melihat garis emisi yang lebar dan tersebar, yang menunjukkan seberapa cepat materi gas di sekitar lubang hitam berputar. Melalui ini, gravitasi dan massa lubang hitam dapat diketahui. Di alam semesta terdekat, metode ini digunakan secara luas. Namun, belum pasti apakah hubungan ini dapat diterapkan secara langsung pada alam semesta awal yang baru berusia kurang dari 1 miliar tahun setelah Big Bang.
Spektrum LRD berbeda dari inti galaksi aktif pada umumnya. Oleh karena itu, beberapa astronom menduga bahwa garis emisi LRD mungkin bukan disebabkan oleh materi gas yang bergerak cepat, melainkan semacam ilusi optik akibat hamburan elektron lain yang terjadi di dalamnya. Bisa jadi lubang hitam aslinya tidak seberat itu dan materi gas di sekitarnya berputar jauh lebih lambat, namun karena efek hamburan yang tidak kita perhatikan, garis emisi spektrum menjadi terlalu lebar sehingga massa lubang hitam di pusatnya mungkin dilebih-lebihkan hingga 100 kali lipat.
Kesalahpahaman ini membuat identitas LRD disalahartikan secara total. Jika demikian, berbeda dengan apa yang kita pikirkan, LRD mungkin merupakan tempat yang jauh lebih ringan dan damai. Kita tidak bisa mengesampingkan kemungkinan bahwa ini bukanlah objek misterius dengan lubang hitam primordial raksasa di pusatnya, melainkan sekumpulan bintang padat yang hanya memiliki kepadatan sedikit lebih tinggi.
Baru-baru ini, akhirnya ada upaya untuk mengukur massa lubang hitam yang dikandung LRD secara "langsung". Penelitian kali ini tidak hanya mengandalkan garis emisi spektrum untuk memperkirakan massa lubang hitam. Sebaliknya, peneliti mengukur bagaimana materi gas benar-benar bergerak di pusatnya. Lokasi terjadinya upaya luar biasa ini adalah Abell 2744-QSO1, yang terletak jauh di belakang Abell 2744, yang dikenal sebagai gugus galaksi Pandora. Abell 2744 adalah gugus galaksi raksasa yang mengandung banyak galaksi dan materi gelap. Berkat itu, gugus ini melengkungkan cahaya dari alam semesta latar belakang dan berperan sebagai lensa raksasa alami, yaitu lensa gravitasi.
Berkat lensa gravitasi yang ekstrem dan sangat pas, objek QSO1 di latar belakang muncul dalam tiga bayangan. Tempat ini memperlihatkan rupa alam semesta saat baru berusia 700 juta tahun. Lensa gravitasi memperkuat cahaya objek redup yang seharusnya sulit dilihat karena jaraknya yang sangat jauh. Lensa ini memperluas dan mendistorsi cahaya objek, mengubahnya dari titik kecil menjadi bentuk dengan luas dan ukuran tertentu. Dengan demikian, spektrum QSO1 yang jauh lebih tajam dapat diamati.
Spektrum area inframerah diamati melalui instrumen NIRSpec milik James Webb. Hal penting di sini adalah kita tidak hanya memperoleh spektrum dengan menggabungkan seluruh cahaya QSO1. Kita dapat mengamati secara lebih detail bagaimana spektrum berubah tergantung pada posisi di dalam objek tersebut. Melalui ini, kita dapat memetakan secara rinci di posisi mana materi gas di QSO1 bergerak mendekati kita, bergerak menjauh, serta bagaimana distribusi kecepatannya secara spasial.
Secara khusus, penelitian kali ini memperhatikan garis Hα yang memiliki garis emisi relatif sempit. Garis emisi Hα pada QSO1 tersebar dalam jangkauan sekitar 600 tahun cahaya. Peneliti memastikan bagaimana kecepatan gas yang mengandung hidrogen berubah dari pusat QSO1 ke arah luar. Untuk galaksi yang sangat jauh ini, mereka menggambar semacam kurva rotasi yang menunjukkan bagaimana kecepatan rotasi berubah dari pusat galaksi ke bagian luar!
Jika itu adalah kumpulan bintang atau galaksi dengan gas yang tersebar luas, kurva rotasi akan tergambar relatif landai saat menjauh dari pusat galaksi. Ini karena massa pusat tersebar dalam radius yang luas. Bima Sakti kita juga termasuk dalam kategori ini. Sebaliknya, jika hampir semua massa terkumpul di satu titik di pusat, kecepatan akan berkurang drastis saat menjauh dari pusat. Faktanya, ini sama seperti tata surya kita di mana hampir seluruh massa terkumpul di Matahari, sehingga kecepatan orbit berkurang drastis dari planet bagian dalam ke planet bagian luar. Rotasi seperti ini disebut rotasi Keplerian.
Hasil observasi ini menunjukkan bahwa gerakan QSO1 lebih sesuai dengan distribusi massa yang terpusat di satu titik daripada kumpulan bintang yang tersebar luas. Dengan kata lain, lebih alami jika ada lubang hitam yang sangat berat di pusatnya. Hasil analisis gerakan 3D yang canggih menyimpulkan bahwa massa lubang hitam pusat sekitar 50 juta kali massa Matahari! Ini benar-benar raksasa! Sagittarius A* di pusat Bima Sakti memiliki massa sekitar 4 juta kali massa Matahari. Namun, lubang hitam yang dikandung QSO1 lebih berat 10 kali lipat dari itu!
Artinya, sebuah galaksi primordial yang ada di masa lalu yang sangat jauh, ketika alam semesta baru berusia 700 juta tahun, memiliki lubang hitam yang jauh lebih besar daripada galaksi kita yang sudah matang dengan usia lebih dari 10 miliar tahun! Ini adalah "pemberontakan" massa lubang hitam! Mengejutkan bahwa galaksi semuda itu memiliki lubang hitam 10 kali lebih berat daripada milik kita. Hal ini bertentangan secara langsung dengan ekspektasi selama ini bahwa massa lubang hitam yang dikandung galaksi akan bertambah berat sedikit demi sedikit seiring bertambahnya usia alam semesta.
Dalam QSO1, massa bintang murni di sekitar lubang hitam juga diukur secara terpisah. Hasilnya, meskipun diambil angka yang paling konservatif, massa bintang tidak melebihi 20 juta kali massa Matahari. Dengan kata lain, jika QSO1 memang objek yang memiliki lubang hitam raksasa di pusatnya dengan bintang-bintang yang mengorbit di sekitarnya, maka lubang hitam di pusat dua kali lebih berat daripada total massa seluruh bintang di sekitarnya.
Ini adalah bentuk galaksi yang tidak pernah terlihat di alam semesta dekat kita. Seberat apa pun lubang hitam di pusat galaksi, proporsinya sangat kecil dibandingkan dengan total massa galaksi. Biasanya sekitar seperseribu. Namun pada QSO1, tampak seolah-olah ada lubang hitam yang lebih berat daripada total massa seluruh bintang bersembunyi di pusatnya. Ini benar-benar di luar akal sehat kita.
Bagaimana kita harus memandang QSO1 yang membingungkan ini? Para astronom menjelaskannya sebagai lubang hitam raksasa yang "telanjang". Biasanya, kita melihat lubang hitam terkubur di pusat galaksi yang terdiri dari ratusan miliar hingga triliunan bintang. Oleh karena itu, kita berpikir bahwa bintang dan debu berkumpul terlebih dahulu, kemudian materi di pusat galaksi terkumpul dan memadat membentuk lubang hitam di kemudian hari.
Namun, keberadaan QSO1 menunjukkan kemungkinan sebaliknya. Lubang hitam tampak sudah ada lebih dulu, dan bintang-bintang di sekitarnya belum tumbuh dengan cukup banyak. Ini ibarat galaksi bayi yang baru saja melahirkan lubang hitam dan belum memakai baju indah yang terbuat dari bintang. Jadi, mungkin ia belum memakai baju yang dihias dengan gemerlap ratusan miliar hingga triliunan bintang, sehingga ia masih telanjang.
Sulit untuk mengetahui apakah QSO1 adalah gambaran paling umum yang dapat mewakili banyak LRD, atau apakah ini hanya kasus unik yang ditemukan secara kebetulan. Jika kita beruntung mendapatkan bantuan lensa gravitasi yang presisi untuk lebih banyak LRD di masa depan, kita bisa mencoba analisis serupa. Setidaknya jika hanya melihat QSO1, sulit untuk menjelaskan LRD sebagai kumpulan bintang berdensitas tinggi yang tidak mengandung lubang hitam di pusatnya. Gerakan gas yang ditunjukkan QSO1 hanya bisa dijelaskan jika massa yang luar biasa terkumpul hampir di satu titik di pusat.
Namun, QSO1 tidak memecahkan semua rahasia. Masih ada hal-hal aneh yang tersisa. Lubang hitam sebesar ini tampak terlalu tenang. Indikator yang membandingkan seberapa aktif lubang hitam menelan materi saat ini dengan seberapa kuat ia secara teoretis dapat menelan materi di sekitarnya disebut rasio Eddington. Saat ini, QSO1 hanya memiliki rasio Eddington sekitar 0,01. Tidak sepadan dengan ukurannya, ia makan sangat sedikit, sekitar 1/100-nya. Ibarat atlet kelas berat yang sangat besar hanya memakan sebutir jagung setiap hari. Ini sebenarnya setara dengan status hibernasi.
Jika demikian, muncul pertanyaan kapan ia tumbuh seperti itu sambil makan sedikit demi sedikit. Jika ia memakan materi seperti sekarang sejak pertama kali lahir, tidak mungkin ia tumbuh hingga level 50 juta kali massa Matahari hanya dalam 700 juta tahun. Oleh karena itu, meskipun sekarang hampir berpuasa, ia pasti pernah mengalami masa "pesta makan" yang intens tepat setelah ia lahir. Jika tidak, maka harus ada benih yang sangat besar yang terbentuk secara utuh sejak awal. Inilah masalah yang disebut heavy seed (benih berat).
Saat ini di dunia astronomi, dua hipotesis berbenturan untuk menjelaskan lubang hitam raksasa di alam semesta awal. Salah satunya adalah lubang hitam runtuhan langsung (direct collapse black hole). Hipotesis ini menjelaskan bahwa awan primordial raksasa di alam semesta awal langsung runtuh tanpa membentuk satu bintang pun dan langsung menciptakan lubang hitam raksasa sekaligus. Dalam kasus ini, benih lubang hitam yang beratnya 10.000 hingga 1.000.000 kali massa Matahari dapat tercipta sejak awal. Karena lubang hitam lahir dalam status "bayi super besar", ia tidak perlu berpesta makan secara intens setiap hari selama proses pertumbuhan selanjutnya.
Namun, hipotesis lubang hitam runtuhan langsung juga memiliki keterbatasan. Dalam model ini, biasanya diperlukan cahaya ultraviolet yang kuat di sekitar lubang hitam. Dengan begitu, dalam proses awan gas menyusut dan runtuh, ia dapat terus mencerai-beraikan gumpalan kecil yang akan menjadi bintang, mencegah pembentukan bintang, dan hanya menyisakan lubang hitam tepat di pusatnya. Namun, di sekitar QSO1, jejak sumber cahaya ultraviolet yang kuat seperti itu tidak terlihat. Tidak ada tanda-tanda ledakan bintang hebat atau ledakan ultraviolet yang mungkin berperan seperti itu di masa lalu.
Hipotesis yang lebih spekulatif dari ini adalah lubang hitam primordial. Yaitu lubang hitam yang terbentuk langsung dari fluktuasi kepadatan alam semesta awal yang kosong sesaat setelah Big Bang. Namun, hipotesis ini juga tidak sempurna. Lingkungan sekitar QSO1 menunjukkan komposisi kimia alam semesta yang benar-benar primitif, hampir hanya terdiri dari hidrogen dan helium. Hampir tidak ada unsur berat. Ini menunjukkan bahwa tidak pernah ada bintang yang lahir dan supernova yang meledak di sekitarnya. Hal ini sangat mendukung hubungan sebab-akibat bahwa lubang hitam lahir lebih dulu, dan bintang (galaksi) terbentuk di kemudian hari.
Namun, massa lubang hitam yang dikandung QSO1 terlalu berat. Ini melampaui level yang dapat direproduksi oleh hipotesis lubang hitam primordial umum. Pada akhirnya, bahkan jika mengikuti hipotesis lubang hitam primordial, untuk menjelaskan ukuran raksasa 50 juta kali massa Matahari, diperlukan pertumbuhan badai yang cepat dan intens setelah lubang hitam terbentuk.
Penemuan QSO1 memberikan petunjuk penting tentang identitas LRD yang selama ini masih menjadi misteri. Namun, di saat yang sama, ia meninggalkan misteri lain. Perjalanan kita yang semakin mendekati masa lalu alam semesta sesaat setelah Big Bang dengan James Webb ibarat akhirnya mulai menggali tanah dengan sekop untuk pertama kalinya di tengah hutan raksasa bernama alam semesta. Selama ini kita hanya memandangi hutan alam semesta dari atas, melihat keindahan daun-daun yang terlihat dari luar, dan paling banter hanya menonton apa yang tampak di atas permukaan tanah.
Akhirnya, melalui James Webb, kita melihat tunas kecil yang tumbuh di tanah hutan tersebut. Dan kita mulai menyingkap tanah itu untuk bertemu dengan benih merah kecil yang tertidur di bawahnya, yakni LRD. Bagi kita yang hanya mengenal bunga dan pohon yang tumbuh di atas tanah, benih di bawah tanah ini sangat baru dan asing. Sulit untuk memahami dari mana benih kecil itu muncul, dan bagaimana benih kecil itu bisa membentuk bunga dan pohon sebesar ini. Meski masih menjadi keberadaan yang asing dan membingungkan bagi kita, sekarang kita mulai menanam benih kecil itu ke dalam hati kita dan mulai menumbuhkan tunas kosmologi yang baru.
Referensi
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/staf2109/8607050
https://esawebb.org/news/weic2609/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae4bd0
Siapakah penulis Ji Ung-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton ‘Galaxy Express 999’, ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini ia adalah asisten profesor di Fakultas Studi Liberal, Universitas Sejong, dan aktif melakukan berbagai komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti ‘Tentang Ketidakbergunaan Astronom’, ‘Kita Semua Terlahir sebagai Astronom’, dan ‘Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta’, serta menerjemahkan ‘Bagaimana Saya Membunuh Pluto’, ‘Quantum Life’, ‘UFO’, dan lainnya.