[비즈한국] Sepuluh tahun lalu, para ilmuwan menemukan karya lain yang tersembunyi di balik lukisan awal Pablo Picasso, 'The Blue Room'. Hasil analisis menggunakan kamera inframerah mengungkapkan potret seorang pria di bawah lapisan cat yang menutupi kanvas tersebut. Pertanyaan baru pun muncul: siapa sosok dalam potret tak dikenal ini, dan mengapa Picasso melukisnya lalu menimpanya dengan karya baru?
Sama halnya, sinar inframerah menyingkap misteri lain yang tersembunyi di luar dunia yang kita kenal. Hal ini juga berlaku di alam semesta. Teleskop Luar Angkasa James Webb, yang mengamati alam semesta dalam spektrum inframerah, kini tengah mengungkap rahasia alam semesta baru yang tak terbayangkan di era Teleskop Hubble.
Secara khusus, belakangan ini ada temuan yang membuat para astronom kebingungan. Temuan tersebut adalah titik-titik merah kecil misterius (Little Red Dots, LRD) yang terus bermunculan di ujung alam semesta. Jika kita melihat berbagai foto hasil pengamatan James Webb, di antara bintang-bintang dan galaksi terdekat yang bersinar terang, selalu ada titik merah kecil yang tercetak jelas di latar belakang hitam ruang angkasa. Jumlahnya pun sangat banyak. Yang lebih membingungkan lagi adalah bahwa titik merah kecil ini tidak ditemukan di alam semesta terdekat kita. Titik-titik ini hanya terlihat saat kita mengamati alam semesta yang jauh, yang hanya bisa dijangkau oleh James Webb. Para astronom belum mengetahui apa sebenarnya identitas titik-titik ini. Sinar inframerah sedang mengungkap misteri baru yang tersembunyi di alam semesta sekaligus memberikan pertanyaan baru kepada kita.
Para astronom bahkan tidak menyangka titik merah ini akan bersembunyi di ujung alam semesta. Pengamatan pun tidak dilakukan dengan tujuan mencari titik tersebut. Mereka melakukan pengamatan untuk membuktikan periode reionisasi—saat di mana bintang dan galaksi baru terbentuk tepat setelah peristiwa Big Bang, yang diperkirakan menyinari dan mengionisasi seluruh alam semesta—namun, justru terlalu banyak titik merah yang ditemukan dalam foto tersebut.
Ada dua kemungkinan besar mengapa benda langit ini terlihat merah dalam panjang gelombang inframerah. Pertama, kemungkinan jaraknya yang terlalu jauh sehingga mengalami pergeseran merah (redshift) ekstrem akibat ekspansi alam semesta. Jika demikian, ini mungkin adalah galaksi purba yang eksis di masa awal alam semesta, yaitu hanya 600 hingga 700 juta tahun setelah Big Bang.
Namun, bukan hanya ekspansi alam semesta yang membuat cahaya galaksi tampak merah. Jika galaksi mengandung banyak debu, galaksi tersebut bisa tampak lebih merah. Debu dapat menyerap sebagian besar cahaya yang keluar dari galaksi, lalu memancarkannya kembali pada panjang gelombang inframerah yang lebih panjang, sehingga mewarnai cahaya galaksi menjadi kemerahan. Bagi para astronom, debu adalah "gangguan" yang menyulitkan saat ingin menentukan spesifikasi galaksi yang akurat. Hal ini karena tingkat kecerahan galaksi dan estimasi massa total galaksi berdasarkan cahayanya dapat berubah drastis tergantung pada seberapa banyak debu yang dikandung galaksi tersebut.
Para astronom sedang menjalankan dua proyek besar untuk mengamati alam semesta di masa reionisasi menggunakan James Webb: EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) dan FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Hingga saat ini, mereka telah mengamati area langit yang sangat sempit. Sempitnya kira-kira hanya seperdua puluh dari area yang tertutup oleh kuku jempol saat kita merentangkan tangan. Jika meminjam istilah astronom yang melakukan proyek ini, sejauh ini mereka "baru menggores ujung alam semesta dengan kuku".
Alasan lain mengapa bintik-bintik merah ini mengejutkan adalah karena estimasi ukurannya yang sangat kecil. Ukuran bintik-bintik ini yang disimpulkan dari foto James Webb tidak melebihi 500 tahun cahaya. Bahkan ada yang lebih kecil, hingga skala 100 tahun cahaya. Ukuran ini terlalu kecil untuk disebut sebagai galaksi. Galaksi Bima Sakti kita sendiri memiliki diameter mencapai 100.000 tahun cahaya. Padahal, bintik merah ini seharusnya 100 hingga 1.000 kali lebih kecil dari galaksi biasa. Apakah benda ini bisa disebut sebagai galaksi yang terdiri dari jutaan hingga ratusan juta bintang yang berkumpul menjadi satu?
Baru-baru ini, beberapa astronom memperkirakan bahwa di pusat titik merah kecil tersebut terdapat lubang hitam supermasif bayi yang baru saja tumbuh. Salah satu alasannya adalah terdeteksinya garis emisi atom hidrogen yang menunjukkan pergerakan sangat cepat dalam spektrum titik merah tersebut. Keberadaan lubang hitam di pusat galaksi dapat dikonfirmasi secara tidak langsung melalui awan gas yang terperangkap oleh gravitasi kuat dan bergerak dengan kecepatan sangat tinggi di sekitarnya.
Awan gas yang mengandung atom hidrogen memancarkan cahaya pada panjang gelombang tertentu. Jejaknya tertinggal dalam spektrum galaksi secara keseluruhan dalam bentuk garis emisi yang tipis dan tajam. Namun, jika awan gas bergerak dengan kecepatan sangat tinggi karena terperangkap gravitasi lubang hitam pusat, ia akan mengalami efek Doppler yang menyebabkan panjang gelombang garis emisi bergeser ke arah yang lebih pendek atau lebih panjang. Semakin cepat pergerakannya, semakin besar pergeseran panjang gelombang ke kedua arah, dan garis emisi pun melebar menjadi bentuk yang lebih luas. Ini adalah karakteristik utama yang terlihat pada sebagian besar galaksi aktif yang menyimpan lubang hitam raksasa dan ganas di pusatnya.
Jika kecepatan awan gas yang bergerak di pusat galaksi dapat diukur, skala massa lubang hitam supermasif yang tumbuh di pusatnya juga dapat ditentukan. Jika titik merah yang dikonfirmasi oleh James Webb ini benar-benar galaksi yang mengandung lubang hitam, maka massa lubang hitam di dalamnya seharusnya beragam dan sangat berat, mulai dari jutaan hingga ratusan juta kali massa matahari!
Namun, ini sangat membingungkan. Titik-titik merah ini adalah galaksi purba muda yang ada saat alam semesta baru berusia 600 hingga 700 juta tahun. Ini baru 5% dari sejarah alam semesta saat ini, masa yang sangat awal. Jika itu adalah alam semesta awal, seharusnya galaksi dan lubang hitam di pusatnya masih berada di tahap awal pertumbuhan dan memiliki massa yang ringan. Namun, James Webb menunjukkan bukti bahwa di masa awal alam semesta, sudah ada lubang hitam yang tumbuh besar hingga ratusan juta kali massa matahari. Ini seperti situasi di taman kanak-kanak yang dipenuhi oleh anak-anak bertubuh raksasa setinggi 2 meter.
Yang lebih aneh lagi adalah ketika kita membandingkan massa lubang hitam pusat dengan massa total galaksi. Biasanya, galaksi dengan skala normal seperti Bima Sakti kita memiliki porsi massa lubang hitam pusat yang sangat kecil dibandingkan dengan total massa bintangnya. Hanya seperseribu dari total massa galaksi. Hampir semua galaksi mengikuti rasio proporsional yang konstan ini. Jika massa total galaksi menjadi dua kali lebih berat, massa lubang hitam di pusatnya juga menjadi dua kali lebih berat.
Para astronom mengira titik merah yang ditemukan melalui James Webb di alam semesta awal juga akan mengikuti rasio ini. Namun, kenyataannya tidak. Lubang hitam di pusat galaksi titik merah ini terlalu berat dibandingkan ukurannya. Jika diasumsikan mereka benar-benar galaksi, lubang hitam tersebut mencapai 30-40% dari total massa yang diperkirakan!
Ini adalah rasio massa yang sangat besar dan sulit dipahami. Jika mengibaratkan galaksi sebagai bakpao isi kacang merah, galaksi normal di sekitar kita biasanya hanya berisi sedikit pasta kacang. Sebenarnya, itu hanyalah gumpalan roti. Namun, bakpao titik merah yang dikonfirmasi oleh James Webb hampir separuhnya dipenuhi oleh pasta kacang. Kita bisa menikmati pasta kacang yang melimpah yang tidak pernah terpikirkan akan ada di alam semesta. Hal ini membuat para astronom, yang sebelumnya belum pernah merasakan manisnya pasta kacang yang melimpah, menjadi "sakit perut" (kaget).
Jika ini benar, dapat diasumsikan bahwa di alam semesta awal, lubang hitam tumbuh jauh lebih cepat daripada yang bisa kita bandingkan saat ini. Namun, hipotesis ini juga bermasalah. Lubang hitam pusat galaksi yang tumbuh cepat akan memancarkan cahaya berenergi tinggi seperti sinar-X dan sinar gamma jauh ke luar galaksi. Para astronom menemukan galaksi titik merah yang dicurigai tumbuh pesat dengan James Webb, dan membandingkannya dengan hasil pengamatan Teleskop Luar Angkasa Sinar-X Chandra untuk memastikan apakah galaksi tersebut benar-benar memancarkan sinar-X berenergi tinggi yang kuat. Namun, tidak ada sinar-X yang terdeteksi. Terlalu tenang untuk ukuran lubang hitam yang tumbuh sangat cepat.
Jika demikian, kita bisa memikirkan kemungkinan lain. Bahwa titik merah ini mungkin bukan galaksi yang menyimpan lubang hitam raksasa, melainkan salah satu bentuk galaksi purba di mana bintang-bintang berkumpul dengan kepadatan tinggi. Namun, ada masalah. Lubang hitam yang tumbuh pesat di pusat galaksi memuntahkan energi yang sangat besar, tak tertandingi oleh satu bintang biasa. Oleh karena itu, energi total titik merah yang dikonfirmasi melalui pengamatan James Webb dapat dijelaskan dengan cukup baik. Namun, masalah menjadi rumit jika kita mengasumsikan tidak ada lubang hitam di pusatnya.
Untuk memenuhi seluruh energi titik merah dengan bintang-bintang yang energinya jauh lebih kecil daripada lubang hitam, diperlukan jumlah bintang yang terlalu banyak. Seperti yang disebutkan sebelumnya, ukuran titik merah ini diperkirakan sangat kecil. Hanya pada skala 100-500 tahun cahaya. Kesimpulannya, di ruang sempit yang hanya seperseribu dari Bima Sakti, harus ada bintang-bintang yang berkumpul sebanyak di Bima Sakti kita. Jika bintang berkumpul dengan kepadatan setinggi ini, mungkin lebih masuk akal untuk menganggap bahwa mereka akan saling menyatu dan membentuk lubang hitam raksasa.
Para astronom juga mempertimbangkan kemungkinan bahwa titik merah ini adalah versi bayi dari quasar yang baru tumbuh di alam semesta awal. Jika demikian, titik-titik ini dapat memberikan petunjuk penting mengenai pertumbuhan dan kelahiran lubang hitam supermasif di pusat galaksi yang hingga kini belum terpecahkan dengan jelas dalam bidang astronomi galaksi. Ini mungkin adalah lokasi di mana kita bisa melihat proses pembentukan lubang hitam raksasa di pusat galaksi secara real-time. Selain itu, kita mungkin juga dapat mengungkap rahasia hubungan simbiosis antara massa total galaksi dan massa lubang hitam pusat, serta bagaimana keduanya tumbuh bersama sambil mempertahankan rasio proporsional yang sama. Menariknya, titik merah yang ditemukan oleh James Webb menjadi lampu hijau, bukan lampu merah, bagi para astronom dan teori kosmologi Big Bang.
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240500504M/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4265
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7
Tentang Penulis Ji Ung-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Setelah menonton 'Galaxy Express 999' saat kecil, ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi galaksi melalui interaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif melakukan berbagai komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti ‘Sseom taneun cheonmundae (Observatorium yang Sedang PDKT)’, ‘Haru jongil uju saenggak (Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari)’, dan ‘Byeol, biche gwahak (Bintang, Sains Cahaya)’.