[비즈한국] Ada lubang hitam supermasif di pusat galaksi. Jika demikian, bukankah seharusnya ada lubang hitam yang lebih kecil di gugus bintang, yaitu kumpulan bintang yang lebih kecil dari galaksi? Ini adalah pemikiran yang sangat wajar. Tentu saja, gugus bintang bukanlah versi miniatur galaksi. Namun, mengingat ratusan ribu hingga jutaan bintang terikat bersama oleh gravitasi, gugus bintang juga merupakan tempat yang cukup masuk akal untuk mencari lubang hitam.
Secara khusus, semakin besar dan berat sebuah gugus bintang, kemungkinan besar semakin banyak bintang yang lahir di sana, dan semakin banyak pula lubang hitam yang terbentuk. Bagaimana dengan Omega Centauri, gugus bintang terberat di Bima Sakti kita?
Omega Centauri terletak sekitar 17.900 tahun cahaya dari Bumi. Terdapat sekitar 10 juta bintang yang berkumpul di sana, dengan total massa mencapai sekitar 4 juta kali massa Matahari. Di langit malam yang gelap di belahan bumi selatan, gugus ini cukup terang untuk dilihat dengan mata telanjang jika kondisinya mendukung.
Usianya juga lebih dari 12 miliar tahun. Ini berarti bintang-bintang masif yang lahir di Omega Centauri sudah lama mati. Katai merah bermassa rendah bertahan selama puluhan miliar tahun, tetapi bintang bermassa besar kemungkinan telah menghabiskan bahan bakarnya dengan cepat dan meledak menjadi supernova. Bintang yang cukup masif di antaranya pasti akan meninggalkan lubang hitam bermassa bintang di akhir hayatnya.
Oleh karena itu, seharusnya ada banyak lubang hitam di Omega Centauri. Faktanya, beberapa model dinamika memperkirakan ada sekitar 10.000 lubang hitam bermassa bintang di pusat gugus ini. Namun, angka ini mungkin merupakan estimasi yang terlalu tinggi karena sulitnya membedakan antara lubang hitam bermassa menengah dan lubang hitam bermassa bintang yang sedikit lebih berat.
Bagaimanapun, jelas bahwa Omega Centauri adalah gugus bintang yang cukup masif untuk menahan lubang hitam. Karena gugus ini sangat berat, gravitasinya pun kuat. Oleh karena itu, kecepatan lepasnya sekitar 62 km/s. Ini hampir dua kali lipat dari kecepatan lepas umum gugus bola di Bima Sakti, yakni 20~30 km/s. Pada masa awal saat gugus ini lebih berat dari sekarang, kecepatan lepasnya pasti melebihi 100 km/s. Saat bintang mati dan lubang hitam terbentuk, terjadi semacam "tendangan" akibat ketidaksimetrisan ledakan yang menyebabkan lubang hitam terpental ke satu sisi. Namun, di gugus dengan kecepatan lepas yang sangat tinggi seperti Omega Centauri, lubang hitam akhirnya tidak bisa melarikan diri dan tetap berada di dalam gugus.
Namun anehnya, selama ini tidak ada satu pun lubang hitam bermassa bintang yang teridentifikasi di Omega Centauri. Ini bukan karena lubang hitam tidak ada, melainkan karena justru sulit menemukannya di tempat seperti ini.
Lubang hitam tidak memancarkan cahaya sendiri. Ia menunjukkan keberadaannya dengan memancarkan sinar-X dan gelombang radio yang kuat saat melahap gas di sekitarnya atau material dari bintang pendamping. Namun, jika ia dalam kondisi "lapar" tanpa ada yang bisa dimakan, lubang hitam tersebut bersembunyi hampir sempurna dalam kegelapan. Pengamatan sinar-X dan gelombang radio mendalam telah dilakukan berkali-kali terhadap Omega Centauri, tetapi tidak ada kandidat lubang hitam yang muncul. Ini karena gugus tersebut sangat tua dan merupakan tempat yang gersang di mana material gas segar hampir habis, sehingga meskipun ada lubang hitam, tidak ada lingkungan yang menyediakan sesuatu untuk dimakan.
Ada juga klaim yang menyatakan bahwa dulunya mungkin banyak lubang hitam di sana, tetapi semuanya terpental keluar melalui interaksi gravitasi yang intens dan kompleks di dalam gugus. Saat lubang hitam yang berat tenggelam ke pusat gugus dan berpasangan, mereka bisa bertindak seperti ketapel saat mendekati bintang atau lubang hitam lain, melemparkan objek lain keluar. Namun, model evolusi gugus bintang terbaru menunjukkan bahwa lubang hitam tidak bisa keluar secara efisien dengan cara tersebut. Oleh karena itu, kemungkinan besar masih ada cukup banyak lubang hitam bermassa bintang yang tersisa dengan tenang dalam kegelapan di Omega Centauri.
Baru-baru ini, ada upaya untuk memecahkan masalah ini dengan cara yang sama sekali berbeda. Bukannya mencari cahaya yang bocor dari lubang hitam, para astronom mencari pergerakan bintang yang tertarik oleh gravitasi lubang hitam. Astronom memperhatikan satu bintang biasa yang hanya berjarak 1 tahun cahaya dari pusat gugus. Bintang ini hanya memiliki massa 78% dari massa Matahari. Dari luar, tidak ada yang istimewa. Kecerahannya stabil dan tidak menunjukkan variabilitas. Namun, ketika melacak bintang ini dalam waktu lama, muncul perilaku yang aneh.
Jika sebuah bintang mengembara sendirian di ruang angkasa, ia seharusnya menunjukkan gerak diri (proper motion) yang sederhana dan hampir menyerupai garis lurus di langit. Namun, lintasan bintang ini jelas melengkung. Seolah-olah bintang itu mengorbit sesuatu yang tidak terlihat. Untuk menganalisis pergerakan bintang-bintang di Omega Centauri secara mendalam, para ilmuwan telah melacak 350 bintang selama lebih dari 20 tahun menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Proyek ini disebut oMEGACat. Hasil terbaru dari pengamatan Teleskop Luar Angkasa James Webb pada tahun 2024 dan 2025 ditambahkan ke data ini, sehingga total pergerakan bintang telah dilacak selama 23 tahun.
Pergerakan halus bintang-bintang di pusat Omega Centauri bahkan lebih kecil daripada satu piksel pada detektor Hubble dan James Webb. Oleh karena itu, sulit untuk mengetahui pergerakan bintang hanya dari satu foto yang diambil seketika. Perlu membandingkan ratusan foto yang diambil dalam jangka waktu yang sangat lama dan menggunakan beberapa bintang sebagai titik acuan untuk mengetahui pergerakan murni bintang target secara akurat. Hasil analisis menunjukkan bahwa bintang ini tampak mengorbit di sekitar sesuatu yang tidak terlihat dengan periode sekitar 94 tahun. Radius orbit yang dilalui bintang tersebut adalah sekitar 31 AU. Ia membentuk orbit elips yang cukup lonjong dengan eksentrisitas mencapai 0,72.
Namun, muncul pertanyaan. Bagaimana mungkin mengetahui periode orbit 94 tahun hanya dengan mengamati selama 23 tahun? Padahal selama periode pengamatan, bintang tersebut bahkan belum menyelesaikan satu putaran pun di orbit elipsnya. Sebenarnya, ada keberuntungan di sini. Kebetulan sekitar tahun 2012, saat Hubble mengamati, bintang tersebut sedang melewati titik terdekat dengan lubang hitam (peri-black hole), di mana ia bergerak paling cepat dalam orbit elipsnya.
Meskipun periode pengamatan aktual hanya mencakup 40% dari keseluruhan orbit elips yang dilalui bintang tersebut, beruntungnya momen yang tertangkap adalah saat gravitasi lubang hitam bekerja paling kuat. Berkat hal ini, massa objek pendamping atau lubang hitam tersebut dapat dihitung dengan baik. Massa lubang hitam ini yang diestimasi menggunakan hukum Kepler adalah sekitar 4,46 kali massa Matahari. Jika objek seberat ini tidak memancarkan cahaya apa pun, satu-satunya jawaban yang mungkin adalah lubang hitam. Oleh karena itu, lubang hitam ini dinamai oMEGACat BH-2.
Alasan mengapa ini dinamakan BH-2 dan bukan BH-1 untuk lubang hitam yang baru pertama kali ditemukan adalah karena pada tahun 2024, kandidat lubang hitam bermassa menengah yang diperkirakan sekitar 8.000 kali massa Matahari telah ditemukan terlebih dahulu di pusat gugus ini menggunakan data oMEGACat yang sama. Namun, perbedaannya adalah saat itu merupakan lubang hitam bermassa menengah, sementara yang kali ini adalah lubang hitam bermassa bintang yang lebih ringan. Jadi, BH-2 yang ditemukan kali ini adalah lubang hitam bermassa bintang pertama yang secara resmi ditemukan di Omega Centauri.
Meskipun area di sekitar BH-2 telah dipindai secara luas menggunakan Teleskop Luar Angkasa Sinar-X Chandra, tidak terlihat sinar-X yang berarti. Hal ini dikarenakan bintang yang mengorbit di dekatnya berada pada orbit yang sangat lebar dan jauh, sehingga lubang hitam tersebut tidak dapat melahap material bintang tersebut.
Namun, masalahnya adalah BH-2 yang ditemukan kali ini jauh lebih ringan dari perkiraan. Bintang yang mengorbit di dekatnya memiliki kandungan logam yang sangat rendah. Bintang dengan kandungan logam rendah seperti ini memiliki lapisan luar yang bersih dan transparan. Meskipun cahaya dari dalam bocor keluar, tidak ada partikel ion yang menghalangi atau menabraknya. Oleh karena itu, kekuatan angin bintangnya lemah, dan massanya tidak berkurang drastis. Oleh karena itu, diperkirakan bahwa lubang hitam yang dibentuk oleh bintang-bintang rendah logam seperti ini setidaknya harus mencapai 20~40 kali massa Matahari. Namun, massa BH-2 yang terkonfirmasi sebenarnya hanya sekitar 4~5 kali, jauh lebih ringan dari itu.
Hal ini menunjukkan kemungkinan baru bahwa lubang hitam bermassa bintang yang sangat kecil pun dapat terbentuk bahkan di lingkungan seperti gugus bola tua dengan kandungan logam yang sangat rendah. Ini berarti fungsi distribusi massa lubang hitam bisa jauh lebih luas dan beragam daripada yang kita bayangkan. Mungkin ada mekanisme yang secara efisien dapat melontarkan material luar bintang meskipun tidak banyak partikel ion logam di permukaan luar bintang. Atau, kita juga harus mempertimbangkan kemungkinan bahwa dulunya ada banyak lubang hitam berat, tetapi mereka justru tidak mampu bertahan menghadapi interaksi gravitasi yang kompleks dan keluar dari gugus terlebih dahulu.
Meskipun baru satu yang ditemukan, tidak ada yang tahu berapa banyak lagi lubang hitam yang akan ditemukan di sini di masa depan. Teleskop Luar Angkasa James Webb dijadwalkan untuk mengamati bintang ini kembali pada tahun 2027 dan 2028. Dengan penambahan data pengamatan selama dua tahun, orbit bintang akan menjadi lebih presisi dan massa lubang hitam akan dapat diketahui dengan lebih akurat. Akan sangat menarik untuk melihat apakah lubang hitam tersebut nantinya menjadi lebih berat atau tetap mempertahankan massa yang ringan seperti sekarang.
Mencari kegelapan yang tersembunyi di balik hal-hal yang bersinar terang, inilah yang dilakukan oleh astronomi. Dan kegelapan itu akhirnya akan terungkap. Kegelapan tidak ada sendirian. Meskipun ia sendiri bersembunyi dalam kegelapan, ia meninggalkan jejaknya secara tidak langsung dengan berinteraksi dengan hal-hal terang di sekitarnya.
Referensi
https://omegacatalog.github.io/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a5c
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia adalah asisten profesor di Fakultas Studi Liberal Universitas Sejong, aktif melakukan berbagai kegiatan komunikasi sains termasuk memberikan kuliah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Tentang Ketidakbergunaan Astronom', 'Kita Semua Terlahir Sebagai Astronom', dan 'Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta', serta menerjemahkan 'Bagaimana Saya Membunuh Pluto', 'Quantum Life', 'UFO', dan lain-lain.