[비즈한국] Pada tahun 2015, para fisikawan mendeteksi getaran ruang-waktu yang ditinggalkan oleh tabrakan dua lubang hitam yang bergabung dari jarak ratusan juta tahun cahaya menggunakan detektor LIGO. Saat itu, getaran yang meninggalkan gelombang gravitasi di ruang-waktu tersebut berasal dari tabrakan lubang hitam bermassa bintang, masing-masing dengan massa sekitar 20 hingga 30 kali massa Matahari.
Sejak saat itu, banyak detektor gelombang gravitasi, termasuk LIGO, telah menangkap tabrakan berbagai lubang hitam bermassa bintang. Namun, semuanya adalah tabrakan lubang hitam bermassa bintang yang kecil dan ringan, hanya puluhan kali massa Matahari. Yang menghuni pusat galaksi adalah lubang hitam supermasif yang jauh lebih besar dan tak tertandingi. Mereka memiliki massa yang sangat besar, mencapai jutaan hingga miliaran kali massa Matahari. Berbagai misteri masih belum terpecahkan, seperti bagaimana lubang hitam supermasif ini terbentuk, dan apakah mereka benar-benar perlahan mendekat selama proses tabrakan galaksi hingga akhirnya bertabrakan.
Namun, Teleskop Luar Angkasa James Webb berhasil menangkap lokasi tabrakan sepasang lubang hitam supermasif di alam semesta terjauh yang pernah tercatat dalam sejarah! Lokasi ini berada di alam semesta yang sangat muda, hanya 740 juta tahun setelah Big Bang. Itu terjadi 13 miliar tahun yang lalu dari sekarang! Penemuan ini dapat memberikan petunjuk penting tentang bagaimana lubang hitam supermasif di pusat galaksi telah tumbuh sejak alam semesta awal.
Di sekitar lubang hitam supermasif pusat galaksi, banyak materi terperangkap oleh gravitasi yang kuat. Materi tersebut berputar dengan kecepatan sangat tinggi dan menjadi sangat panas. Ini disebut sebagai piringan akresi di sekitar lubang hitam. Piringan akresi dapat dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi, yang membuat hidrogen di sekitarnya tereksitasi ke tingkat yang sangat tinggi, sehingga cahaya yang tajam pada panjang gelombang tertentu dapat dipancarkan. Namun, yang penting adalah piringan akresi di sekitar lubang hitam tidak diam, melainkan berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi.
Karena putaran yang cepat ini, garis emisi spektrum hidrogen yang keluar dari piringan akresi yang diamati dari Bumi mengalami efek Doppler, di mana panjang gelombang menjadi sedikit lebih pendek atau lebih panjang. Jika dilihat dari Bumi, bagian piringan yang bergerak menjauh dari Bumi diamati sebagai spektrum yang bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang, sedangkan bagian piringan yang bergerak mendekati Bumi diamati sebagai spektrum yang bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek.
Jika piringan akresi diam, ia akan diamati sebagai spektrum berbentuk tajam dengan sinyal yang jelas hanya pada panjang gelombang tertentu. Namun, karena piringan akresi berputar dengan cepat, terciptalah bentuk spektrum yang melebar sedikit ke panjang gelombang depan dan belakangnya. Fenomena ini disebut peningkatan lebar garis spektrum. Semakin cepat kecepatan rotasi piringan akresi, semakin lebar tingkat peningkatan lebar garisnya.
Galaksi aktif yang memiliki lubang hitam raksasa di pusatnya, yang memuntahkan energi besar dan menelan banyak materi, menunjukkan bentuk spektrum yang sangat khas. Area yang mengelilingi lubang hitam di pusat galaksi berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Oleh karena itu, diamati spektrum dengan bentuk lebar garis yang melebar dan datar. Sebaliknya, saat bergerak ke area yang jauh dari lubang hitam pusat galaksi, kecepatan rotasi awan hidrogen berkurang, dan lebar peningkatan garis spektrum menjadi lebih tipis. Secara khusus, galaksi aktif yang tumbuh sangat aktif memiliki karakteristik menunjukkan dua spektrum, yaitu yang memiliki lebar garis luas dan lebar garis sempit.
Dalam pengamatan James Webb kali ini, para astronom menangkap Sz7, galaksi primordial yang sangat redup yang diperkirakan ada di alam semesta awal sekitar 13 miliar tahun yang lalu. Mereka mengamati bagian pusat galaksi ini dengan instrumen spektroskopi NIRSpec milik James Webb. Secara khusus, pengamatan ini tidak menggunakan metode klasik yang hanya menggabungkan spektrum seluruh area galaksi, melainkan menggunakan metode untuk membedakan dan mengamati spektrum setiap piksel gambar galaksi dengan lebih jelas. Teknik ini disebut sebagai IFU (integrated field unit).
Dengan memanfaatkan ini, kita dapat melangkah lebih jauh dari sekadar menyimpulkan berapa banyak bintang yang lahir di seluruh galaksi dan seberapa kuat lubang hitam yang aktif, kita dapat memahami dengan resolusi yang lebih tinggi berapa banyak bintang yang lahir di setiap area di dalam galaksi, dan seberapa kuat lubang hitam yang aktif di setiap area galaksi.
Para astronom mengonfirmasi bentuk spektrum yang jelas di pusat galaksi Zs7 yang menunjukkan lebar garis luas dan lebar garis sempit. Namun yang mengejutkan, bentuk spektrum ini tidak hanya diamati di satu tempat saja. Hal itu juga diamati di dua titik yang terpisah sedikit jaraknya di dekat pusat galaksi! Pada posisi yang terletak sedikit di kanan atas pusat galaksi dalam foto tersebut, data menunjukkan spektrum hidrogen dengan dua bentuk yang jelas, yaitu lebar garis luas dan lebar garis sempit. Sebaliknya, tepat di tengah galaksi dalam foto tersebut, hanya spektrum hidrogen dengan bentuk lebar garis sempit yang terkonfirmasi.
Berdasarkan hal ini, para astronom menyimpulkan bahwa setidaknya ada dua atau lebih lubang hitam supermasif yang hidup berdampingan di pusat galaksi ini. Satu berada di pusat galaksi, dan yang lainnya berada di posisi yang sedikit keluar dari pusat galaksi. Secara khusus, dengan memanfaatkan data pengamatan galaksi yang menunjukkan spektrum dengan lebar garis luas dan lebar garis sempit, massa lubang hitam pusat galaksi ini dapat disimpulkan. Para astronom menyimpulkan bahwa massa lubang hitam supermasif yang sedikit keluar dari pusat galaksi adalah sekitar 50 juta kali massa Matahari. Ini adalah tingkat yang hampir 10 kali lebih berat daripada lubang hitam pusat Bima Sakti kita yang berukuran sekitar 4 juta kali massa Matahari! Ini menunjukkan bahwa lubang hitam supermasif yang jauh lebih berat daripada lubang hitam pusat Bima Sakti kita sudah ada di alam semesta pada masa sangat awal ketika usia alam semesta baru 700 juta tahun.
Berkumpulnya dua lubang hitam supermasif yang begitu besar dalam jarak yang dekat diperkirakan terjadi karena dua galaksi bertabrakan di alam semesta awal, dan akibatnya, lubang hitam supermasif yang dimiliki masing-masing galaksi sedang bergabung. Tentu saja, ada banyak rahasia yang belum terpecahkan dalam proses tabrakan dan penggabungan lubang hitam supermasif. Dibandingkan dengan tabrakan lubang hitam bermassa bintang yang jauh lebih ringan, akhir dari proses tabrakan lubang hitam supermasif belum pasti. Hal ini karena masih ada 'masalah parsec terakhir (final parsec problem)' dari lubang hitam supermasif, di mana jika dua lubang hitam supermasif mendekat dalam jarak kurang dari satu tahun cahaya, orbit satu sama lain mungkin tidak lagi menyusut dan tetap mempertahankan orbit yang stabil sehingga tidak berakhir pada penggabungan. Oleh karena itu, belum pasti apakah lubang hitam berat yang mendiami pusat galaksi semacam ini benar-benar tumbuh dengan cara saling bergabung.
Sejak pengamatan pertama pada tahun 2015 hingga sekarang, umat manusia telah mendeteksi tabrakan lubang hitam bermassa bintang yang relatif ringan yang bertabrakan dari jarak ratusan juta tahun cahaya dengan detektor gelombang gravitasi yang dipasang di seluruh dunia. Saat getaran ruang-waktu yang ditinggalkan oleh tabrakan itu terbang selama ratusan juta tahun dan melewati sekitar Bumi, keberadaan gelombang gravitasi diverifikasi melalui ruang-waktu yang bergetar sedikit. Mungkin rasanya mirip dengan perasaan seorang pemancing yang menaruh joran di atas laut dan hanya menunggu untuk bergoyang. Sekarang, kita menikmati era baru pengamatan alam semesta tidak hanya melalui gelombang elektromagnetik klasik dan cahaya, tetapi juga melalui jenis gelombang baru yang disebut gelombang gravitasi.
Namun, masih ada keterbatasan. Jaring gelombang gravitasi dan ukuran joran yang dapat dipasang di Bumi pada akhirnya tidak bisa lebih besar dari Bumi. Untuk mendeteksi getaran ruang-waktu yang lebih kecil yang menyebar dari alam semesta yang lebih jauh, diperlukan jaring gelombang gravitasi dengan skala yang lebih besar dari ukuran Bumi. Oleh karena itu, para astronom sedang mempersiapkan misi LISA, detektor gelombang gravitasi luar angkasa yang akan mendeteksi gelombang gravitasi dengan wahana antariksa yang terbang dalam formasi di orbit sekitar Matahari, meninggalkan Bumi pada tahun 2035 mendatang. Rencana tersebut berjalan lancar karena LISA Pathfinder, pekerjaan awal yang dilakukan untuk memeriksa kelayakan teknis LISA, telah menunjukkan hasil yang sebagian sukses.
Jika misi ini berlanjut, kita akan memasuki era di mana kita dapat mendeteksi tidak hanya tabrakan lubang hitam bermassa bintang yang terjadi di alam semesta yang relatif dekat, tetapi juga jejak gelombang gravitasi miliaran tahun lalu yang ditinggalkan oleh tabrakan lubang hitam supermasif yang ada di alam semesta awal di masa lalu yang sangat jauh. Alam semesta yang akan kita rasakan dengan detektor gelombang gravitasi yang lebih sensitif, seberapa banyak lagi akan bergejolak? Alam semesta sudah bergejolak secara kompleks di seluruh ruang-waktu karena tabrakan lubang hitam besar dan kecil yang terjadi di berbagai tempat. Hanya saja getarannya terlalu kecil sehingga bagi kita ruang-waktu alam semesta hanya terasa tenang. Namun, jika kita segera dapat merasakan alam semesta dengan menaruh joran yang dapat mendeteksi getaran yang lebih sensitif, alam semesta tidak akan lagi menjadi dunia yang sunyi dan tenang.
Melalui ini, kita akan dapat memperoleh petunjuk baru untuk banyak pertanyaan yang belum terpecahkan, seperti bagaimana lubang hitam supermasif berat yang mendiami pusat galaksi dari alam semesta awal hingga hari ini mendapatkan ukuran raksasanya saat ini, dan bagaimana akhir dari tabrakan dan penggabungan mereka.
Referensi
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/355/7671512
Siapakah penulis Ji Ung-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', dia bermimpi untuk memberitahukan keindahan alam semesta. Saat ini, dia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Dia telah menulis buku-buku seperti ‘Observatorium yang Sedang PDKT’, ‘Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari’, dan ‘Bintang, Sains Cahaya’.