[비즈한국] Ada pepatah yang mengatakan bahwa jika Anda tetap tenang, Anda akan mencapai jalan tengah. Artinya, jika Anda tidak berlebihan dan cukup menyelesaikan tugas yang diberikan dengan baik, Anda bisa bertahan tanpa masalah. Namun, dalam alam semesta kita, pepatah ini tampaknya tidak berlaku. Terutama di dunia lubang hitam, hal ini sangat terasa.
Dunia lubang hitam tidak memiliki jalan tengah. Lubang hitam hanya ditemukan di dua ekstrem massa: sangat ringan atau sangat berat. Lubang hitam dengan massa menengah di antara keduanya hampir tidak pernah ditemukan. Tidak jelas apakah lubang hitam massa menengah ini sulit ditemukan karena mereka bersembunyi di tempat yang aneh, atau apakah lubang hitam massa menengah sebenarnya tidak ada sejak awal. Masih banyak astronom yang mencari lubang hitam massa menengah untuk mengisi kekosongan dalam distribusi massa lubang hitam. Mungkin saja kita selama ini hanya mengejar bayang-bayang lubang hitam yang sebenarnya tidak ada.
Namun, baru-baru ini, sebuah lokasi yang kuat diduga berisi lubang hitam massa menengah berhasil ditangkap! Meskipun daftar lubang hitam kita baru bertambah satu, ada perbedaan besar antara sesuatu yang keberadaannya bahkan tidak pasti dan menemukan setidaknya satu buktinya. Sekarang, kita bisa terbebas dari kekhawatiran bahwa lubang hitam massa menengah mungkin hanyalah sebuah bayang-bayang. Meskipun tetap sulit ditemukan, kita kini bisa yakin bahwa mereka bersembunyi di suatu tempat dan menunggu kita.
Lubang hitam dibagi menjadi dua kategori besar berdasarkan skala massanya. Ada lubang hitam yang beratnya puluhan hingga maksimal 100 kali massa matahari. Lubang hitam ini tercipta ketika bintang yang sangat masif mengakhiri evolusinya dan mengalami keruntuhan gravitasi. Ini disebut lubang hitam massa bintang. Bisa dianggap sebagai lubang hitam yang kita maksud saat kita sering berkata "bintang mati dan menjadi lubang hitam". Mereka adalah kelas ringan di dunia lubang hitam.
Ada juga lubang hitam kelas berat yang jauh lebih masif. Ini adalah lubang hitam supermasif yang biasanya ditemukan di pusat galaksi. Mereka memiliki massa yang luar biasa, mencapai jutaan hingga miliaran kali massa matahari. Tentu saja, lubang hitam sebesar ini tidak terbentuk hanya dari matinya satu bintang. Ada kemungkinan bahwa lubang hitam massa bintang yang dulunya berkumpul di pusat galaksi saling melebur dan tumbuh menjadi lubang hitam supermasif yang besar saat ini. Atau, ada kemungkinan lubang hitam supermasif langsung terbentuk ketika awan gas raksasa menyusut segera setelah Big Bang, pada masa awal alam semesta.
Singkatnya, jika satu bintang berat mati, ia menjadi lubang hitam massa bintang. Di pusat galaksi raksasa, terdapat lubang hitam supermasif. Jika demikian, bukankah seharusnya ada lubang hitam kelas menengah yang tidak terlalu berat dan tidak terlalu ringan? Sangat wajar jika lubang hitam dengan massa sekitar seribu hingga sepuluh juta kali massa matahari juga ada. Namun, hingga kini, lubang hitam massa menengah ini hampir tidak pernah ditemukan.
Kekosongan posisi mereka menimbulkan keraguan terhadap hipotesis bahwa lubang hitam supermasif hanyalah hasil penggabungan lubang hitam massa bintang yang ringan. Jika kelas berat saat ini adalah hasil dari kelas ringan yang berkumpul dan perlahan tumbuh besar, maka tentu saja mereka harus melalui tahapan kelas menengah. Fakta bahwa tidak ditemukan lubang hitam kelas menengah menimbulkan pertanyaan bahwa lubang hitam supermasif mungkin tidak terbentuk dari penggabungan lubang hitam ringan sejak awal.
Jika lubang hitam massa menengah benar-benar bersembunyi di suatu tempat, di mana kita harus mencarinya? Karena lubang hitam supermasif berada di pusat galaksi raksasa, kita bisa mengharapkannya di pusat galaksi katai atau gugus bola yang skalanya sedikit lebih kecil. Faktanya, beberapa observasi baru-baru ini berhasil menangkap berbagai sinyal yang diduga sebagai jejak lubang hitam massa menengah di pusat galaksi katai, yang ukurannya hampir 1.000 kali lebih ringan dari Bimasakti. Namun, hasilnya belum pasti.
Dalam mencari lubang hitam massa menengah, kita bisa belajar dari sejarah observasi pertama yang mengonfirmasi keberadaan lubang hitam supermasif Sagitarius A* di pusat Bimasakti. Astronom Jerman Reinhard Genzel dan Andrea Ghez memulai observasi untuk mengejar monster di pusat galaksi kita sejak tahun 1990-an. Mereka menggunakan teleskop Keck di Maunakea, Hawaii, dan Teleskop Sangat Besar (VLT) di Chili untuk melacak pergerakan bintang-bintang yang mengorbit di pusat Bimasakti. Untuk membedakan pergerakan setiap bintang di pusat Bimasakti yang padat, diperlukan observasi dengan resolusi yang sangat tinggi. Oleh karena itu, bantuan teleskop raksasa seperti Keck dan VLT sangat diperlukan.
Mereka terus mengamati pergerakan berbagai bintang hingga tahun 2000. Hasilnya, mereka menemukan bahwa bintang-bintang di pusat Bimasakti bergerak dengan kecepatan sangat tinggi dalam orbit elips yang sangat lonjong. Orbit mereka berkumpul di area yang sangat sempit, hanya dalam beberapa tahun cahaya. Yang lebih mengejutkan adalah tidak ada objek terang yang terlihat di pusat orbit elips yang dibentuk oleh bintang-bintang tersebut.
Bintang-bintang tersebut pasti terperangkap oleh gravitasi di pusat Bimasakti. Namun, pergerakan bintang pusat yang sangat cepat seperti yang diamati Genzel dan Ghez berarti ada sesuatu yang tersembunyi yang menahan bintang-bintang di sekitarnya dengan gravitasi yang sangat kuat. Massa gumpalan gravitasi yang mengerikan yang diperkirakan oleh keduanya saat itu sekitar 4 juta kali massa matahari. Harus ada massa yang sangat berat terkumpul dengan kepadatan tinggi di area yang sangat sempit.
Jika ada bintang supermasif atau gugus bintang dengan massa sebesar itu, tentu kita seharusnya melihat cahaya terang. Namun, tidak ada cahaya terang yang terlihat. Hanya ada satu hal yang cocok di tempat itu: sebuah keberadaan misterius di mana materi terkumpul dan menyatu dengan kepadatan sangat tinggi, yaitu lubang hitam supermasif. Keduanya, yang membuktikan keberadaan lubang hitam pusat Bimasakti melalui observasi pada tahun 2020, kemudian dianugerahi Hadiah Nobel Fisika bersama dengan fisikawan Roger Penrose yang menjelaskan singularitas pusat lubang hitam secara matematis.
Begitu pula, jika ada lubang hitam massa menengah di dalam gugus bola yang ukurannya lebih kecil dari galaksi, bukankah kita bisa membuktikan keberadaannya dengan cara yang mirip dengan yang dilakukan Genzel dan Ghez? Yaitu dengan melacak pergerakan bintang-bintang yang mengorbit dengan cepat di sekitar ruang kosong yang tidak memancarkan cahaya tepat di tengah gugus bola.
Untuk mencapai ini, para astronom dalam penelitian ini memanfaatkan data Teleskop Luar Angkasa Hubble yang mengamati gugus Omega Centauri, yang terkenal sebagai salah satu gugus bola paling terang dan terberat yang mengembara di halo Bimasakti. Gugus ini berjarak sekitar 18.000 tahun cahaya dari Bumi, dan hampir sepuluh juta bintang berkumpul di dalamnya dalam jangkauan puluhan tahun cahaya. Jika langit malam sangat cerah, gugus ini bahkan bisa dilihat dengan mata telanjang.
Tempat ini lebih masuk akal dianggap sebagai galaksi katai yang dulunya lebih besar daripada gugus bola asli. Satu galaksi katai yang mengorbit Bimasakti hancur karena gravitasi Bimasakti, sehingga bintang-bintang di bagian luarnya tersebar, dan hanya bagian inti galaksi di mana bintang-bintang berkumpul dengan kepadatan tinggi yang tersisa. Faktanya, jika kita membandingkan komposisi kimia bintang-bintang di Omega Centauri, terdapat bintang-bintang dengan komposisi kimia yang sangat beragam. Ini adalah ciri penting yang mudah dilihat di galaksi di mana berbagai generasi bintang hidup bersama.
Selama 20 tahun yang panjang, teleskop Hubble secara konsisten mengamati bintang-bintang di Omega Centauri. 20 tahun! Ini bukanlah waktu yang singkat. Waktu selama ini sudah cukup untuk memantau perubahan posisi bintang-bintang yang mengorbit di sekitar pusat gugus. Melalui data observasi Hubble selama 20 tahun, para astronom mengidentifikasi tujuh bintang yang mengorbit dengan kecepatan sangat tinggi di dalamnya.
Mengejutkan, bintang-bintang ini bergerak melintasi ruang di dalam gugus dengan kecepatan yang luar biasa. Kecepatan ini jauh melebihi kecepatan lepas gugus yang dapat dihitung dengan hanya mempertimbangkan massa bintang-bintang bercahaya di dalam gugus! Kecepatan yang melebihi kecepatan lepas berarti mereka bergerak cukup cepat untuk bisa terlempar keluar tanpa terikat oleh gravitasi gugus. Namun, jelas bahwa bintang-bintang ini tidak terlempar keluar dari gugus dan tetap terikat dengan baik oleh gravitasi gugus. Ini berarti ada gravitasi misterius tambahan yang bekerja di pusat gugus yang tidak bisa dipahami hanya dengan melihat bintang-bintang terang. Dan itu terjadi di area yang sangat sempit, tidak lebih dari beberapa tahun cahaya!
Berdasarkan hal ini, para astronom menyimpulkan bahwa massa yang sangat berat dan sangat padat harus ada tepat di tengah gugus Omega Centauri. Massanya sekitar 8.200 kali massa matahari. Tepat seperti lubang hitam massa menengah yang selama ini kita cari, massa yang setara dengan kelas menengah!
Di pusat gugus bola, mungkin terdapat lubang hitam massa bintang yang tertinggal dari bintang-bintang tua yang telah menyelesaikan evolusinya, berkumpul dengan kepadatan tinggi. Lubang hitam dengan orbit yang tumpang tindih dapat saling berinteraksi secara gravitasi dan akhirnya menyatu menjadi satu lubang hitam yang lebih besar. Jika ini terjadi sangat sering di pusat gugus, sangat diharapkan adanya lubang hitam kelas menengah dengan massa ribuan hingga puluhan ribu kali massa matahari.
Terlebih lagi, proses ini dapat terjadi lebih cepat jika lubang hitam massa bintang di pusat gugus berkumpul lebih padat. Mungkin alasan kita sulit menemukan lubang hitam massa menengah selama ini adalah karena kecepatan pertumbuhan dari lubang hitam massa bintang menuju lubang hitam supermasif terlalu cepat. Selain itu, karena kita harus melihat ke pusat gugus yang relatif kecil dengan bintang-bintang yang padat, mungkin sulit untuk memastikan keberadaan lubang hitam massa menengah dengan observasi teleskop konvensional yang resolusinya kurang baik.
Melalui observasi ini, kredibilitas objek kandidat lubang hitam massa menengah yang sesekali dilaporkan juga semakin meningkat. Sebelumnya, para astronom pernah menangkap objek kandidat lubang hitam massa menengah yang diduga memiliki massa 20.000 hingga 100.000 kali massa matahari di pusat beberapa galaksi katai. Tentu saja, dibandingkan dengan banyaknya lubang hitam massa bintang dan lubang hitam supermasif di pusat galaksi yang telah ditemukan, jumlah lubang hitam massa menengah yang ditemukan masih sangat sedikit, bahkan jika semua kandidat dikumpulkan. Belum bisa mengisi celah massa yang kosong di antara distribusi massa lubang hitam secara sempurna.
Di dunia lubang hitam, hal yang "tanggung" tidak diizinkan. Setidaknya, sepertinya masih begitu.
Referensi
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z
Siapa penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak menonton 'Galaxy Express 999' saat kecil, dia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, dia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif melakukan komunikasi sains melalui ceramah dan penulisan. Dia telah menulis buku-buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.