[비즈한국] Separuh dari alam semesta memang berisi bintang tunggal, namun separuh lainnya memiliki pasangan. Bintang yang memiliki pasangan di sampingnya disebut sebagai sistem bintang ganda (biner). Bintang ganda yang membentuk pasangan sangat mudah ditemukan di alam semesta. Namun, ada satu tempat di mana bintang ganda yang umum ini sulit ditemukan. Tempat itu adalah di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi.
Selama sekian lama, para astronom berpendapat bahwa gravitasi lubang hitam yang luar biasa akan menghalangi pembentukan bintang baru di sekitarnya. Mereka mengira bahwa bintang-bintang tersebut mungkin sudah dimangsa oleh lubang hitam, atau sejak awal lingkungan di sekitar lubang hitam merupakan tempat yang ekstrem di mana awan gas tidak dapat memadat secara stabil untuk membentuk bintang baru.
Namun, setelah pengamatan yang gigih, para astronom akhirnya berhasil mengonfirmasi keberadaan sistem bintang ganda yang mengorbit lubang hitam Sagittarius A* di pusat Bima Sakti untuk pertama kalinya dalam sejarah. Hal ini melampaui sentimen romantis tentang bagaimana cinta pasangan bintang dapat menaklukkan lingkungan kejam di pusat galaksi, dan membawa kemungkinan yang jauh lebih mengejutkan.
Pertama-tama, untuk memahami seberapa ekstrem lingkungan di sekitar Sagittarius A* di pusat Bima Sakti, kita perlu melihat dunia yang ditemukan di sana. Di pusat Bima Sakti terdapat lubang hitam masif dengan massa 4 juta kali lebih berat dibandingkan Matahari. Sejak dulu, para astronom menemukan bahwa bintang-bintang di ruang sempit hanya beberapa tahun cahaya dari pusat Bima Sakti bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi. Bintang-bintang tersebut tampak tertahan oleh objek langit yang sangat berat. Namun, di pusat orbit bintang-bintang tersebut, tidak ada cahaya terang yang terlihat. Bintang-bintang tersebut seolah tertahan di ruang hampa yang gelap. Hanya ada satu kemungkinan agar massa sebesar ini bisa terkumpul di ruang sesempit itu: lubang hitam supermasif. Berkat penemuan ini, astronom Andrea Ghez dan Reinhard Genzel, bersama fisikawan Roger Penrose yang secara matematis menetapkan singularitas lubang hitam, dianugerahi Hadiah Nobel Fisika.
Sejak saat itu, Sagittarius A* menjadi target populer bagi para astronom. Banyak pengamatan telah dilakukan. Melalui pengamatan tersebut, ditemukanlah kelompok bintang berkecepatan tinggi yang mengelilingi lubang hitam layaknya gugus bintang. Ini disebut sebagai gugus bintang S. Selain itu, ada objek-objek unik di antara mereka yang disebut objek G. Objek G pertama ditemukan pada tahun 2005. Mereka bukanlah gugus bintang, melainkan berperilaku seperti satu bintang tunggal yang sangat masif.
Namun, ukurannya terlalu besar untuk dianggap sebagai bintang sederhana. Selain itu, ukurannya berubah-ubah secara drastis saat mengorbit di jalur elips di sekitar lubang hitam Sagittarius A*. Saat menjauh dari lubang hitam, ukurannya mengecil dan kepadatannya meningkat. Sebaliknya, saat mendekati lubang hitam, ukurannya membesar secara signifikan dan kepadatannya menurun drastis. Oleh karena itu, beberapa astronom menduga bahwa ini bukan sekadar satu bintang raksasa, melainkan awan gas yang membengkak. Mereka berpendapat bahwa saat mendekati lubang hitam, gravitasi dan gaya pasang surut meningkat sehingga awan gas dapat menyebar lebih luas.
Karakteristik unik dari objek yang tampak seperti bintang namun diselimuti awan gas yang melebar membuat imajinasi tentang asal-usulnya menjadi lebih dramatis. Sebagai contoh, ada kemungkinan bahwa objek G pada dasarnya adalah sistem bintang ganda. Namun, karena terus-menerus menerima gangguan dari lubang hitam pusat galaksi yang memiliki gravitasi luar biasa, orbit bintang ganda tersebut akhirnya terganggu dan kedua bintang tersebut bertabrakan. Tabrakan kedua bintang tersebut menyebabkan awan gas raksasa menyebar di sekitarnya, dan penampakannya itulah yang kini teramati sebagai objek G.
Hingga saat ini, enam objek G telah ditemukan. Meski hipotesis tersebut menarik, tidak sedikit astronom yang tidak sepenuhnya setuju. Hal ini dikarenakan mereka berpikir bahwa di tengah situasi adanya 'preman gravitasi' yang luar biasa seperti lubang hitam, mustahil bagi sistem bintang ganda untuk terbentuk dan mengorbit satu sama lain secara stabil.
Namun, akhirnya keberadaan bintang ganda tersebut terkonfirmasi untuk pertama kalinya. Penemuan ini sebenarnya sangat beruntung. Pertama, mengamati bintang yang mengembara di sekitar lubang hitam Sagittarius A* di pusat Bima Sakti adalah tantangan yang cukup sulit. Bintang dan awan debu yang sangat padat menghalangi pandangan, sehingga sulit untuk melihatnya hanya dengan pengamatan cahaya tampak. Oleh karena itu, para astronom melakukan pengamatan dengan panjang gelombang inframerah yang dapat menembus awan debu.
Analisis ini menggunakan data arsip yang diamati oleh VLT di Chili antara tahun 2005 dan 2019. 15 tahun adalah waktu yang sangat cukup untuk penelitian ini. Hal ini karena orbit bintang-bintang yang mengelilingi lubang hitam sangat kecil dan cepat, sehingga periode untuk satu kali putaran tidak terlalu lama. Selain itu, untuk analisis yang lebih mendalam, digunakan data dari Teleskop Keck di Hawaii setelah tahun 2019. Secara khusus, data arsip yang telah terkumpul selama bertahun-tahun diperiksa dengan sangat teliti.
Para astronom menemukan tanda-tanda efek Doppler yang jelas pada D9, sebuah bercak kecil yang sebelumnya hanya dianggap sebagai awan gas yang melebar. Efek ini menunjukkan perulangan antara pergeseran biru (blue shift) saat panjang gelombang memendek, dan pergeseran merah (red shift) saat panjang gelombang memanjang. Ini berarti kedua bintang tersebut menunjukkan gerakan yang saling mendekati dan menjauhi Bumi secara bergantian. Di sini tidak hanya ada satu bintang. Ada dua. Dan kedua bintang tersebut, yang terjebak oleh gravitasi satu sama lain, sedang melakukan tarian waltz yang mendebarkan di samping lubang hitam.
Melalui orbitnya, massa kedua bintang tersebut dapat diketahui. Para astronom memperkirakan bintang yang lebih berat memiliki massa 2,8 kali massa Matahari, dan bintang yang lebih ringan memiliki massa sekitar 73% dari massa Matahari. Kedua bintang tersebut mengembara di samping lubang hitam dengan periode orbit sekitar 372 hari, atau sedikit lebih dari satu tahun waktu Bumi.
Saat ini, sistem bintang ganda ini dapat dianggap sebagai lokasi terjadinya masalah tiga benda (three-body problem) versi ekstrem. Dua bintang dengan massa 2,8 kali massa Matahari dan 75% massa Matahari, serta lubang hitam supermasif dengan massa 4 juta kali massa Matahari di sampingnya. Ketiga objek langit ini saling bertukar gravitasi dan membuat perubahan orbit menjadi rumit. Secara khusus, mekanisme di mana orbit bintang ganda terganggu akibat masalah tiga benda ini disebut sebagai mekanisme Kozai, atau mekanisme von Zeipel-Lidov-Kozai. Hasil simulasi menunjukkan bahwa karena tidak tahan dengan gangguan lubang hitam, kedua bintang ini diperkirakan akan bertabrakan dalam 1 juta tahun ke depan.
Yang lebih menarik adalah fakta bahwa usia sistem bintang ganda ini baru 2,7 juta tahun. Artinya, sistem ini baru terbentuk, dan hanya ada waktu 3,7 juta tahun sampai kedua bintang tersebut bertabrakan. Namun, 2,7 juta tahun—tiga perempat dari waktu tersebut—sudah berlalu. Sistem ini kebetulan muncul di hadapan kita saat hanya tersisa 1 juta tahun lagi. Dari sudut pandang astronomi, ini adalah penangkapan momen yang sangat singkat. Benar-benar sebuah keberuntungan yang dramatis. Jika umat manusia lahir sedikit lebih awal untuk mengamati alam semesta, atau jika kita sedikit lebih malas dalam mendirikan teleskop, kita mungkin telah melewatkan fenomena ini.
Penemuan ini menunjukkan bahwa pembentukan bintang dimungkinkan bahkan di sekitar lubang hitam pusat galaksi. Bahkan ada sistem bintang ganda yang bisa bertahan hidup, meskipun mereka harus menjaga orbit yang stabil. Tentu saja, orbitnya akan terganggu dalam waktu yang jauh lebih singkat dibandingkan dengan tempat-tempat biasa, tetapi setidaknya ini membuktikan bahwa bintang ganda pun bisa bertahan untuk sementara waktu. Ini memberikan petunjuk penting tentang asal-usul objek G di sekitar lubang hitam Sagittarius A* yang hingga baru-baru ini masih menjadi misteri. Hal ini memperkuat hipotesis yang sebelumnya tidak dipercayai oleh cukup banyak astronom, yaitu bahwa objek G adalah gumpalan sisa tabrakan bintang-bintang yang dulunya membentuk sistem bintang ganda, di mana hanya awan gasnya yang tersebar.
Lubang hitam pusat galaksi juga merupakan lokasi yang memusingkan di mana masalah tiga benda dan masalah N-benda terjadi secara bersamaan dalam jumlah besar. Mekanisme Kozai yang terjadi di tempat seperti ini memberikan petunjuk penting tentang pertanyaan bagaimana lubang hitam berat yang mencapai jutaan kali massa Matahari bisa terbentuk di pusat galaksi.
Meskipun belum pasti, lubang hitam supermasif di pusat galaksi pastilah pernah memiliki masa di mana ia relatif lebih ringan. Jika bintang cukup banyak terbentuk di sekitar lubang hitam, bintang-bintang tersebut juga akan menemui ajalnya suatu hari nanti dan meninggalkan lubang hitam kecil. Beberapa dari lubang hitam kecil yang tersisa ini bisa menjadi mangsa baru bagi lubang hitam pusat galaksi melalui proses dinamis yang kompleks seperti mekanisme Kozai. Melalui cara ini, lubang hitam di pusat galaksi sedikit demi sedikit bertambah besar hingga mencapai tingkat seperti sekarang. Dengan terkonfirmasinya keberadaan bintang ganda di pusat galaksi dan mekanisme tiga benda yang sedang berlangsung di sana, gambaran tentang bagaimana lubang hitam pusat galaksi berburu mangsa dapat tergambar dengan lebih jelas.
Sementara itu, bintang-bintang yang menarikan waltz mendebarkan di samping lubang hitam juga memberikan petunjuk tentang asal-usul bintang "pembalap liar" yang berkeliaran di ruang angkasa Bima Sakti dengan kecepatan yang terlalu tinggi, yang disebut sebagai bintang berkecepatan tinggi (hypervelocity star, HVS). Jika nasib bintang ditentukan dengan cara salah satunya dimangsa oleh lubang hitam sementara yang lain selamat, alih-alih kedua bintang bertabrakan, maka bintang yang kehilangan pasangannya secara tiba-tiba akan terlempar dengan kecepatan sangat tinggi. Mirip dengan batu yang diikat tali, diputar dengan tangan, lalu dilepaskan. Bahkan di antaranya ada bintang-bintang yang terbang dengan kecepatan luar biasa mencapai 6 juta km per jam.
Lubang hitam, terutama lubang hitam supermasif yang hidup di pusat galaksi, adalah panggung eksperimen yang sangat menarik. Karena memberikan gravitasi paling ekstrem, lubang hitam menjadi panggung untuk memverifikasi proses evolusi dinamis yang menunjukkan perubahan orbit dramatis dalam waktu yang relatif singkat. Selain itu, karena mendistorsi ruang-waktu secara ekstrem, tempat ini juga baik untuk menguji teori relativitas umum Einstein. Di alam semesta lain yang lebih damai, pengaruhnya terlalu kecil sehingga sulit dideteksi, tetapi di sekitar lubang hitam, terlihat jelas bahwa teori relativitas bekerja dengan baik. Selain itu, lubang hitam adalah panggung di mana seluruh massa terkumpul di area yang sangat sempit. Jadi, seperti yang dipikirkan Stephen Hawking, lubang hitam tidak hanya bersifat makroskopis tetapi juga mikroskopis. Lubang hitam adalah panggung di mana fisika makro Newton dan Einstein serta mekanika kuantum dunia mikro mencapai perdamaian.
Sekali lagi, lubang hitam telah membuktikan nilai luar biasanya sebagai benteng terakhir dan garis depan fisika.
Referensi
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54748-3
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Terdekat Universitas Yonsei, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.