[비즈한국] Ada banyak misteri mengenai lubang hitam, namun salah satu yang paling menarik bagi para astronom adalah fakta bahwa lubang hitam tidak memiliki "ukuran menengah". Jika lubang hitam adalah kopi hitam, nasib yang kita hadapi sangat ekstrem. Entah jumlahnya terlalu sedikit sehingga tidak bisa menghilangkan dahaga, atau terlalu banyak sehingga membuat perut meledak. Lubang hitam di alam semesta hanya ada dua jenis: terlalu ringan atau terlalu berat. Ukuran yang tanggung di antaranya masih sulit terlihat.
Dalam dunia lubang hitam, yang ringan disebut lubang hitam massa bintang. Massanya paling banter hanya 20 hingga 30 kali massa Matahari. Ini biasanya adalah lubang hitam yang terbentuk saat bintang berat berhenti melakukan fusi nuklir dan runtuh. Sebaliknya, yang berat disebut lubang hitam supermasif. Ia menyimpan massa jutaan hingga ratusan juta kali massa Matahari dan biasanya tinggal di pusat galaksi. Sebagian besar lubang hitam yang ditemukan di alam semesta hanya dua jenis ini. Meski lubang hitam massa menengah mungkin saja ada, mereka hampir tidak pernah terlihat.
Lubang hitam skala menengah yang hilang di alam semesta ini disebut lubang hitam massa menengah (IMBH, Intermediate Black Hole). Ke mana perginya mereka, atau apakah lubang hitam kelas menengah ini benar-benar ada dalam sejarah alam semesta, tetap menjadi salah satu misteri terbesar dalam astronomi. Ini adalah "mata rantai yang hilang" (missing link) yang krusial yang tersisa dalam proses pertumbuhan lubang hitam dari yang kecil menuju yang raksasa.
Oleh karena itu, penemuan lubang hitam massa menengah dianggap sebagai pencapaian yang sangat penting. Baru-baru ini, para astronom kembali menemukan lubang hitam massa menengah yang baru. Melalui teleskop ruang angkasa Chandra, sebuah eksistensi mencurigakan yang memancarkan cahaya sinar-X ditemukan di pinggiran galaksi eliptis NGC 6099 yang berjarak 450 juta tahun cahaya. Teleskop Hubble menemukan bahwa eksistensi tersebut berada di dalam gugus bintang yang padat. Para astronom menduga bahwa ini adalah lubang hitam massa menengah yang selama ini dicari. Lantas, mengapa lubang hitam massa menengah begitu sulit ditemukan? Apa pesan yang ditinggalkan oleh fakta bahwa mereka hampir tidak ada di alam semesta bagi kita?
Lubang hitam menunjukkan hubungan yang menakjubkan dengan galaksi tempat mereka tinggal. Jika kita membandingkan total massa bintang di pusat galaksi dengan massa lubang hitam di dalamnya, keduanya berbanding lurus dengan sangat rapi. Lubang hitam memiliki massa sekitar 1/1000 dari bagian pusat galaksi. Meskipun sangat kecil dibandingkan massa total galaksi, hampir semua galaksi secara konsisten mengikuti rasio ini. Jika galaksi dua kali lebih berat, lubang hitam di dalamnya juga dua kali lebih berat. Ini menyiratkan bahwa lubang hitam sangat terkait erat dengan kelahiran dan evolusi galaksi secara keseluruhan.
Jika massa pusat galaksi dan massa lubang hitam di dalamnya berbanding lurus, seharusnya tidak sulit untuk menemukan tempat di mana lubang hitam massa menengah berada. Jika kita menelusuri galaksi yang sedikit lebih kecil dan ringan, galaksi kerdil, hingga gugus bola, secara alami kita seharusnya bisa sampai pada lubang hitam dengan massa yang lebih ringan, yaitu lubang hitam massa menengah. Faktanya, hingga saat ini para astronom terus bermain petak umpet dengan lubang hitam massa menengah di galaksi kerdil dan gugus bola. Terkadang, melalui pergerakan bintang di beberapa gugus bola yang besar, tanda-tanda adanya lubang hitam massa menengah dengan massa ribuan hingga puluhan ribu kali massa Matahari berhasil terdeteksi.
Namun, membuktikan identitas lubang hitam massa menengah dengan sempurna sangatlah sulit. Kebetulan, kita tidak memiliki "timbangan" untuk mengukur lubang hitam massa menengah. Sebaliknya, untuk lubang hitam massa bintang yang jauh lebih ringan, kita sekarang bisa menyimpulkan massanya dengan cukup akurat melalui detektor gelombang gravitasi seperti LIGO. Dengan mendeteksi getaran ruang-waktu atau gelombang gravitasi yang disebarkan saat dua lubang hitam bertabrakan, kita bisa mengetahui seberapa berat lubang hitam yang saling bertabrakan tersebut.
Namun, dengan detektor gelombang gravitasi yang ada saat ini, sulit untuk menentukan massa lubang hitam massa menengah yang sedikit lebih berat. Hal ini dikarenakan panjang gelombang gravitasi bertambah sebanding dengan massa lubang hitam. LIGO saja sudah merupakan detektor yang sangat besar dengan panjang sisi mencapai 4 km. Berkat skala sebesar itu, getaran kecil yang ditinggalkan oleh lubang hitam massa bintang baru bisa dideteksi. Namun, untuk mendeteksi lubang hitam massa menengah yang ribuan kali lebih berat, diperlukan detektor yang jauh lebih besar dan sensitif. Secara praktis, diperlukan detektor yang lebih besar dari Bumi, dan itu secara realistis tidak mungkin.
Lantas, bagaimana jika kita memanfaatkan pengetahuan yang diperoleh dari lubang hitam supermasif, bukan lubang hitam massa bintang? Secara tradisional, massa lubang hitam pusat galaksi disimpulkan melalui pergerakan bintang-bintang di pusat galaksi tersebut. Dengan memahami seberapa cepat bintang-bintang mengelilingi pusat galaksi, kita bisa mengetahui gravitasi lubang hitam pusat yang menahan bintang-bintang tersebut, dan segera bisa mengukur massa lubang hitamnya.
Namun, lubang hitam massa menengah juga sulit dideteksi dengan metode ini. Seperti yang disebutkan sebelumnya, lubang hitam massa menengah seharusnya berada di gugus bola yang lebih kecil, namun gugus bintang memiliki kepadatan bintang yang terlalu tinggi dan ukurannya terlalu kecil. Oleh karena itu, sulit untuk mengukur secara presisi pergerakan bintang-bintang yang berkumpul padat dalam volume kecil tersebut. Terlebih lagi, karena bintang-bintang berkumpul terlalu dekat, masalah N-bodi yang sangat kompleks terjadi, di mana bintang-bintang yang berdekatan tidak hanya menerima efek gravitasi dari lubang hitam saja, tetapi juga saling berinteraksi gravitasi satu sama lain, sehingga membuat perhitungan menjadi semakin rumit.
Jika lubang hitam sedang menelan bintang dan material gas di sekitarnya, itu akan sangat membantu. Lubang hitam itu sendiri tidak memancarkan cahaya, tetapi dalam proses memakan bintang di sekitarnya, sisa-sisanya berputar di sekitar lubang hitam dan membentuk piringan yang bersinar terang. Sinar-X yang kuat dipancarkan dari piringan akresi yang panas, dan melalui kecerahan cahaya sinar-X tersebut, kita bisa mengetahui kekuatan lubang hitam yang ada di dalamnya.
Namun, metode ini pun tidak bekerja dengan baik bagi lubang hitam massa menengah yang tinggal di gugus bola. Gugus bola hanya berisi bintang-bintang tua yang evolusinya hampir selesai. Hampir tidak ada material gas segar yang tersisa. Jadi, meskipun ada lubang hitam di pusat gugus bintang, hampir tidak ada makanan yang bisa diberikan kepada lubang hitam tersebut. Bahkan jika ada lubang hitam massa menengah di pusat gugus bola, lubang hitam tersebut hanya akan tetap dalam kondisi lapar. Karena tidak menunjukkan cahaya sinar-X yang berarti, sangat sulit untuk menangkap lubang hitam massa menengah melalui pengamatan sinar-X dan memperkirakan massanya.
Sebaiknya kita mencari di pinggiran galaksi daripada di pusat galaksi. Meskipun ada lubang hitam massa menengah di tengah galaksi, di sana sudah tinggal lubang hitam supermasif yang jauh lebih besar dan kuat. Jejak samar yang mungkin ditinggalkan oleh lubang hitam massa menengah tertutup oleh sosok luar biasa dari lubang hitam supermasif di pusat seluruh galaksi. Jadi, lebih menguntungkan untuk mencari benda langit yang memancarkan cahaya sinar-X kuat di pinggiran galaksi daripada di pusat galaksi.
Dalam astronomi, benda langit seperti ini disebut HLX (Hyper-Luminous X-ray source) yang berarti sumber sinar-X yang bersinar sangat terang. Contoh representatifnya adalah HLX-1 yang tertangkap pada tahun 2009 di galaksi ESO 243-49 yang berjarak sekitar 290 juta tahun cahaya. Ada benda langit yang memancarkan sinar-X dengan jelas di tempat yang sedikit menyimpang dari piringan galaksi ESO 243-49 yang terbaring tipis ke samping. Para astronom menduga bahwa benda langit tersebut adalah lubang hitam massa menengah yang beratnya sekitar 20.000 kali massa Matahari.
Baru-baru ini, penemuan serupa lainnya menyusul. Ini adalah HLX-1 lainnya yang ditemukan di galaksi NGC 6099. Kali ini pun ditemukan di pinggiran galaksi, menjauh dari pusat galaksi. Dengan menganalisis data luas yang diamati dari tahun 2009 hingga 2023 oleh teleskop ruang angkasa sinar-X Chandra, dipastikan bahwa sinar-X yang jernih dan terang terus terpancar dari tempat yang sama. Khususnya, pengamatan teleskop ruang angkasa Hubble yang dilakukan setelahnya mengonfirmasi bahwa di tempat ini memang terdapat gugus bola tempat bintang-bintang berkumpul dengan kepadatan tinggi. Kemungkinan besar ada lubang hitam massa menengah yang bersembunyi di sana.
Namun, hal yang aneh adalah kecerahan sinar-X terus berubah selama periode pengamatan. Sejak pertama kali ditemukan pada tahun 2009, kecerahannya menjadi yang paling terang pada tahun 2012 dan kembali redup pada tahun 2023. Para astronom menduga bahwa hal ini terjadi dalam proses lubang hitam massa menengah menelan bintang yang lewat di dekatnya. Bintang tersebut hancur berkeping-keping dan dimakan oleh lubang hitam, dan khususnya pada tahun 2012, "pesta makan" yang paling dahsyat terjadi. Lubang hitam massa menengah yang bersembunyi di sini diperkirakan memiliki massa antara 1.000 hingga 10.000 kali massa Matahari. Ini tepat berada dalam rentang mata rantai yang hilang di dunia lubang hitam yang sedang kita cari.
Para astronom yang mendukung skenario pertumbuhan lubang hitam, yang menyatakan bahwa lubang hitam kecil berkumpul dan akhirnya tumbuh menjadi lubang hitam supermasif, melihat lubang hitam massa menengah sebagai proses transisi di antaranya. Diduga bahwa alasan mengapa lubang hitam massa menengah jarang ditemukan di alam semesta adalah karena waktu yang mereka habiskan di tahap transisi tersebut relatif sangat singkat. Dengan kata lain, kecepatan lubang hitam massa bintang kecil tumbuh menjadi lubang hitam supermasif jauh lebih cepat dari yang diperkirakan. Karena tumbuh dengan cepat, sulit untuk melihat mereka berada di proses transisi tersebut. Dari sudut pandang ini, lubang hitam massa menengah adalah rintangan yang harus dilewati untuk memahami bagaimana lubang hitam, yang bisa dianggap sebagai benih galaksi, lahir dan tumbuh besar.
Apakah benar lubang hitam massa bintang yang kecil bergabung menjadi lubang hitam massa menengah masih belum diketahui. Namun, setidaknya jika melihat proses tabrakan galaksi kerdil yang kecil, dimungkinkan bagi lubang hitam massa menengah untuk bergabung dan tumbuh menjadi lubang hitam supermasif yang lebih besar. Jika demikian, alasan mengapa lubang hitam massa menengah jarang muncul di alam semesta sekitar kita mungkin karena di alam semesta dekat kita, pertumbuhan sebagian besar sudah berakhir menjadi lubang hitam supermasif. Oleh karena itu, untuk menemukan lebih banyak lubang hitam massa menengah, kita harus menjelajahi alam semesta di masa lalu yang lebih jauh, di mana pertumbuhan masih berlangsung dengan intens.
Tentu saja, karena jaraknya semakin jauh, jejak yang sedikit gelap dan lemah yang ditinggalkan oleh lubang hitam massa menengah akan lebih sulit dilihat. Ini akan menjadi target yang bagus untuk dibidik oleh James Webb. Identitas dari titik merah kecil dan buram, LRD (Little Red Dot), yang terus tertangkap oleh James Webb dan muncul sebagai misteri baru dalam astronomi, mungkin saja merupakan lubang hitam massa menengah di alam semesta purba. Pekerjaan penggalian oleh para astronom untuk mengisi mata rantai yang hilang dari kosmologi modern yang tersisa masih terus berlanjut hingga saat ini.
Referensi
https://science.nasa.gov/missions/hubble/nasas-hubble-chandra-spot-rare-type-of-black-hole-eating-a-star/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adbbee
Siapakah penulis Ji Ung-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton "Galaxy Express 999", ia memiliki mimpi untuk memberitahukan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia telah menulis buku seperti "Observatorium yang Sedang PDKT", "Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari", dan "Bintang, Sains Cahaya".