[비즈한국] Seiring dimulainya era James Webb, muncul misteri baru yang dihadapi, yaitu 'Titik Merah Kecil' (LRD, Little Red Dots). Sejak James Webb mulai melakukan pengamatan ruang angkasa dalam (deep space) secara penuh pada tahun 2024, sejumlah besar titik merah telah tertangkap di ujung alam semesta. Hal ini membingungkan para astronom. Fenomena benda langit seperti ini belum pernah tertangkap oleh teleskop darat maupun luar angkasa lainnya, termasuk Hubble. Ini adalah entitas aneh yang hanya ditemukan melalui pengamatan inframerah James Webb.
Titik Merah Kecil (LRD) ini ditemukan terutama di alam semesta masa lalu yang sangat jauh. Mereka ditemukan pada kurun waktu 600 juta hingga 1,6 miliar tahun setelah Big Bang. LRD tertua yang pernah ditemukan hingga saat ini menyimpan rupa dari 13,2 miliar tahun yang lalu. Meskipun sudah lebih dari 300 LRD yang ditemukan, para astronom masih belum mengetahui secara pasti apa benda-benda tersebut. Hanya ada berbagai spekulasi yang bermunculan. Belum dipastikan apakah setiap titik kecil ini adalah galaksi purba yang ada di awal alam semesta yang sangat jauh, ataukah sebuah bintang raksasa yang ada di masa primordial, atau bahkan apakah itu bintang atau galaksi. Karena sulit dipahami, terkadang muncul berita utama yang menyebutkan bahwa LRD 'mengancam teori Big Bang yang ada'.
Namun, baru-baru ini muncul hipotesis yang sangat berbeda mengenai identitas mereka. Para astronom menganalisis benda langit bernama MoM-BH*-1, salah satu LRD yang sudah dikenal dengan baik. Mereka menemukan kemungkinan mengejutkan yang belum pernah terpikirkan sebelumnya. Mungkin saja ratusan LRD yang ditemukan melalui James Webb di ujung alam semesta hingga saat ini bukanlah galaksi purba kecil, bukan pula bintang primordial yang masif. Bisa jadi itu adalah jenis benda langit yang sama sekali berbeda, yang bukan bintang maupun galaksi.
LRD cenderung berwarna merah pekat. Sebagian besar LRD yang ditemukan sejauh ini menunjukkan bentuk spektrum yang sangat seragam di wilayah inframerah. Warna merah di alam semesta biasanya tercipta ketika sesuatu dikelilingi oleh awan debu yang sangat besar. Hal ini terjadi karena partikel debu yang dipanaskan suam-suam kuku oleh cahaya yang dipancarkan dari sumber lain, kemudian memancarkan cahaya merah di wilayah inframerah. Contoh yang paling dikenal adalah galaksi yang tertutup rapat oleh debu panas, yang merupakan salah satu bentuk kuasar unik yang ditemukan di alam semesta jauh. Para astronom menyebutnya sebagai Hot DOG (hot dust-obscured galaxies). Namun, Hot DOG tidak dapat menjelaskan LRD. Pasalnya, LRD memancarkan cahaya merah dan inframerah yang terlalu kuat dan tampak terlalu kecil untuk sekadar disebut sebagai galaksi dengan kepadatan debu tinggi.
Sebagian besar LRD memiliki kandungan hidrogen yang tinggi. Itulah sebabnya garis Balmer, yang merupakan jejak cahaya yang dipancarkan dari hidrogen, terlihat dalam spektrumnya. Namun, banyak LRD menunjukkan garis Balmer yang tidak tajam, melainkan melebar ke samping. Ini berarti awan hidrogen yang dikandung LRD sedang berputar dengan kecepatan sangat tinggi. Dalam kasus ekstrem, terlihat benda-benda di pusat LRD tersebut mengorbit dengan kecepatan mendekati 1.000 km per detik. Ini adalah karakteristik yang sering ditemukan pada galaksi yang memiliki lubang hitam supermasif yang sangat berat di pusatnya. Berdasarkan hal ini, para astronom menduga LRD kemungkinan besar adalah galaksi purba yang memiliki lubang hitam supermasif yang terbentuk lebih awal di alam semesta primordial.
Namun, penjelasan ini pun belum sempurna. Jika itu adalah alam semesta awal, seharusnya lubang hitam supermasif yang baru terbentuk sedang berada dalam fase yang sangat intens. Seharusnya juga teramati proses penelanan awan gas berdensitas tinggi di sekitarnya yang memuntahkan energi besar di sepanjang sumbu rotasi lubang hitam. Kondisi ekstrem lubang hitam di pusat galaksi biasanya menciptakan spektrum yang beragam dan kaya, tidak hanya inframerah tetapi juga sinar-X dan sinar ultraviolet. Akan tetapi, sebagian besar LRD yang ditangkap oleh James Webb sejauh ini tidak menunjukkan tampilan seperti itu. Oleh karena itu, sulit untuk menganggapnya hanya sebagai lubang hitam ganas atau inti galaksi aktif yang terbentuk di alam semesta awal.
Selain itu, banyak LRD menunjukkan fitur yang sangat menonjol yang dikenal sebagai 'Balmer break'. Balmer break adalah fenomena di mana spektrum bintang atau galaksi turun drastis seperti tebing dan intensitas cahayanya berkurang pada panjang gelombang yang lebih pendek dari 364,5 nm. Dalam hidrogen netral yang terdiri dari satu proton dan satu elektron, elektron yang berada pada tingkat energi n=2 akan menyerap cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari 364,5 nm untuk naik ke tingkat yang lebih tinggi atau terionisasi sepenuhnya. Biasanya, bintang tua dengan suhu permukaan suam-suam kuku memiliki banyak elektron yang berada di tingkat energi n=2 di atmosfer permukaannya. Oleh karena itu, Balmer break mudah terlihat pada galaksi yang didominasi oleh bintang tua, di mana banyak elektron pada tingkat n=2 menyerap cahaya sehingga spektrumnya turun tajam di bawah 364,5 nm.
Namun, fakta ini membuat LRD semakin sulit dipahami. Semua LRD yang ditemukan James Webb berada di alam semesta yang sangat dini, di mana usia alam semesta bahkan belum mencapai 1 miliar tahun. Tentu saja, galaksi pada masa ini seharusnya dianggap sebagai galaksi purba yang sangat muda yang baru mulai membentuk bintang. Namun, Balmer break adalah fitur yang terlihat di galaksi yang diisi oleh bintang tua, bukan bintang muda. Kontradiksi ini membuat LRD tampak seperti galaksi yang terlalu cepat menua atau terlalu dewasa sebelum waktunya. Masalah yang membingungkan inilah yang membuat beberapa media massa sempat mengklaim bahwa keberadaan LRD mengguncang fondasi teori Big Bang.
Namun, analisis kali ini menunjukkan kemungkinan baru yang dapat menjelaskan karakteristik Balmer break pada LRD. Faktanya, elektron dalam hidrogen netral tidak dapat bertahan lama pada tingkat n=2. Elektron dalam keadaan ini sangat tidak stabil. Hanya dalam 1-2 nanodetik, elektron tersebut akan turun ke tingkat n=1 yang lebih rendah dan stabil, sambil memancarkan cahaya yang termasuk dalam deret Lyman. Namun, kenyataan bahwa sebagian besar LRD menunjukkan Balmer break yang jelas dalam spektrumnya berarti ada mekanisme yang memaksa sebagian besar elektron dalam atom hidrogen di LRD untuk terus bertahan di tingkat n=2.
Mari kita bayangkan situasi ekstrem di mana hal ini terjadi. Misalnya, ketika atom-atom hidrogen terkumpul dengan kepadatan yang sangat tinggi. Dalam gas berdensitas tinggi ini, tabrakan antar atom hidrogen menjadi sering terjadi, dan elektron yang dimiliki setiap atom yang tadinya akan turun ke tingkat n=1, kembali mendapatkan energi dan melonjak ke tingkat n=2. Jika kepadatan atom hidrogen sangat tinggi dan sangat padat sehingga frekuensi elektron turun dari tingkat n=2 hampir sama dengan frekuensi lonjakan kembali ke tingkat n=2, maka akan tercipta semacam kesetimbangan, sehingga jumlah elektron yang berada di tingkat n=2 dalam awan gas dapat terus terjaga pada tingkat tinggi yang konstan. Dengan begitu, bahkan tanpa adanya bintang, elektron yang berada di tingkat n=2 di dalam awan gas itu sendiri akan terus menyerap cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek dari panjang gelombang tertentu, sehingga menciptakan karakteristik Balmer break yang jelas pada spektrum.
Jika kita menerapkan hipotesis ini, kita dapat membayangkan situasi yang sangat menarik. Sebuah lubang hitam supermasif di pusat dikelilingi oleh gumpalan gas hidrogen dengan densitas yang sangat ekstrem. Di sini tidak ada bintang. Hanya ada lubang hitam supermasif yang bersembunyi di pusat awan gas padat yang pekat. Seolah-olah lubang hitam itu tinggal di dalam sebuah 'kepompong' awan gas hidrogen yang besar. Menurut model tersebut, kepadatan kepompong gas hidrogen yang berisi lubang hitam supermasif ini setara dengan kepadatan atmosfer atas bintang biasa! Ini berarti kepompong tersebut mengelilingi lubang hitam pusat dengan sangat padat, bukan pada tingkat kepadatan materi antarbintang yang kosong di dalam galaksi, melainkan pada tingkat atmosfer bintang yang penuh dengan atom.
Dalam analisis ini, para astronom menganalisis spektrum salah satu LRD, yaitu MoM-BH*-1, melalui pengamatan spektroskopi inframerah James Webb. Mereka mengonfirmasi bahwa ketika model kepompong awan gas yang mengelilingi lubang hitam supermasif di pusat diterapkan, spektrum yang diamati secara nyata dapat dijelaskan dengan sempurna. Sebuah benda langit yang menampung lubang hitam supermasif di pusatnya, dikelilingi oleh awan gas berdensitas tinggi setingkat atmosfer bintang biasa. Jari-jari awan gas tersebut hanya sekitar 40 AU. Ukurannya bahkan lebih kecil dari Tata Surya kita, apalagi disebut galaksi! Ini lebih terlihat seperti 'satu bintang merah raksasa' yang memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya daripada sebuah galaksi purba. Ini adalah jenis benda langit baru yang belum pernah terpikirkan sebelumnya, berbeda dari bintang atau galaksi mana pun yang kita kenal selama ini. Para astronom menamai benda langit baru ini sebagai 'Black Hole Star' (Bintang Lubang Hitam).
Jika LRD dijelaskan sebagai jenis benda langit baru yang disebut 'Bintang Lubang Hitam', maka masalah massa yang tampak terlalu berat, yang menjadi salah satu masalah terbesar LRD hingga baru-baru ini, juga terselesaikan secara alami. Para astronom memastikan bahwa dengan menerapkan model baru ini, massa lubang hitam supermasif yang dikandungnya dihitung jauh lebih ringan. Massanya berkurang menjadi 100.000 hingga 10 juta kali massa matahari, 100 kali lebih ringan dari estimasi sebelumnya. Tingkat ini setara dengan lubang hitam bermassa menengah, bukan lubang hitam supermasif. Ini adalah massa yang cukup wajar bagi lubang hitam awal di masa muda alam semesta yang baru saja mulai terbentuk. Masalah kebingungan akibat massa yang terlalu berat sejak sesaat setelah Big Bang pun teratasi dengan sendirinya.
Kemungkinan luar biasa mengenai LRD yang diajukan oleh makalah ini memberikan petunjuk baru bagi salah satu teka-teki lama astronomi modern, yaitu hubungan antara galaksi dan lubang hitam supermasif di pusatnya. Para astronom masih terus memikirkan kedua kemungkinan: apakah galaksi lahir terlebih dahulu kemudian lubang hitam di pusatnya tumbuh, ataukah lubang hitam terbentuk lebih dulu kemudian galaksi terbentuk di sekitarnya. Ini adalah masalah ayam dan telur yang sudah lama ada dalam astronomi.
Namun, skenario kali ini memberikan petunjuk bahwa di alam semesta awal, awan gas dengan densitas ekstrem terbentuk dan di pusatnya, yang pertama kali terbentuk bukanlah bintang, melainkan lubang hitam bermassa menengah. Jika 'Bintang Lubang Hitam' yang terbentuk dengan cara ini nantinya saling bertabrakan dan menabrak satu sama lain untuk menambah ukuran, maka lubang hitam supermasif yang lebih berat seukuran masa kini akan terselesaikan. Dalam proses tersebut, bintang-bintang biasa terbentuk di sekitarnya, sehingga kemungkinan besar bentuk galaksi masa kini pun terbentuk. Akhirnya, kita kini bisa melihat siapa yang menjadi bagian pertama dalam sejarah alam semesta, apakah galaksi atau lubang hitam, untuk memecahkan teka-teki ayam dan telur tersebut.
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250316596N/abstract
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton ‘Galaxy Express 999’, ia memiliki impian untuk menyebarluaskan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Galaxy Evolution Research Center dan Near-Cosmology Laboratory di Yonsei University, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti memberi kuliah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti ‘Observatorium yang Sedang PDKT’, ‘Berpikir tentang Alam Semesta Sepanjang Hari’, dan ‘Bintang, Sains Cahaya’.