[비즈한국] Biasanya, lubang hitam dianggap sebagai wilayah kematian yang menelan dan menghancurkan segalanya. Namun, percayakah Anda jika justru di sekitar lubang hitam inilah planet-planet baru lahir? Siapa sangka, lubang hitam bisa menjadi tempat kelahiran yang menakjubkan bagi planet-planet baru. Bahkan, di sekitar satu lubang hitam supermasif, puluhan juta planet—bukan ribuan atau jutaan—bisa tercipta.
Biasanya, planet tentu saja lahir di sekitar bintang. Tata surya kita pun bermula dari cakram gas dan debu yang mengelilingi Matahari yang baru lahir 4,6 miliar tahun lalu. Butiran debu kecil di dalam cakram saling bertabrakan dan menyatu, tumbuh menjadi kerikil dan batuan yang lebih besar. Embrio planet kecil yang terbentuk dengan cara ini kemudian saling bertabrakan dan bergabung, melahirkan planet seperti Bumi dan Jupiter.
Namun, cakram serupa juga terbentuk di sekitar lubang hitam supermasif. Saat lubang hitam di pusat galaksi menelan gas dan debu di sekitarnya, materi tersebut tidak langsung jatuh ke dalam lubang hitam. Materi itu berputar sangat cepat mengelilingi lubang hitam, membentuk cakram akresi yang datar dan masif. Khususnya pada pusat galaksi di mana lubang hitam sedang "melahap" materi dengan rakus, yang disebut sebagai inti galaksi aktif (AGN), bagian dalam cakram di sekitar lubang hitam ini sangat panas dan terang. Gas memancarkan sinar-X dan sinar ultraviolet yang kuat, sementara debu sebagian besar menguap karena tidak mampu menahan suhu tinggi. Tentu saja, lingkungan seperti ini tidak memungkinkan terbentuknya planet.
Namun, jika kita bergerak cukup jauh ke bagian luar cakram, jauh dari lubang hitam pusat, situasinya berubah total. Di tempat yang berjarak sekitar 3 hingga 30 tahun cahaya dari lubang hitam supermasif, terdapat wilayah dengan suhu yang turun drastis. Di sana, gas dan debu mengelilingi lubang hitam seperti donat yang gelap dan tebal. Itulah sebabnya wilayah ini disebut torus debu. Radiasi kuat yang keluar dari lubang hitam pusat dan bagian dalam cakram akresi terhalang oleh torus tebal ini. Di baliknya, suhu cukup rendah sehingga silikat, logam, dan es dapat bertahan. Dan di sinilah planet dapat lahir.
Cakram protoplanet di sekitar Matahari biasanya hanya berukuran beberapa ratus AU. Namun, torus debu pada inti galaksi aktif membentang hingga skala beberapa tahun cahaya, bahkan puluhan tahun cahaya. Jika dibandingkan ukurannya saja, ia ribuan kali lebih besar daripada cakram planet biasa. Tentu saja, jumlah material di dalamnya pun sangat melimpah. Baru-baru ini, para astronom mengonfirmasi kemungkinan bahwa planet dalam jumlah yang luar biasa banyak dapat tercurah dari tempat ini.
Dengan mengasumsikan adanya lubang hitam supermasif berukuran 10 juta hingga 1 miliar kali massa Matahari, dibuatlah model di mana medan magnet menopang cakram tersebut. Faktanya, medan magnet adalah elemen yang sangat penting dalam pembentukan planet. Jika gas dan debu di dalam cakram menjadi terlalu berat, cakram tersebut justru akan runtuh menjadi satu gumpalan besar alih-alih membentuk planet satu per satu. Hal ini justru membuat pembentukan planet menjadi sulit. Namun, jika medan magnet yang kuat tetap terjaga untuk mengembangkan dan menopang cakram, maka keruntuhan total seluruh cakram dapat dicegah. Dengan begitu, butiran debu di dalam cakram dapat bertahan dan tumbuh menjadi kepingan planet yang terpisah secara independen.
Proses yang terjadi di lingkungan sekitar lubang hitam yang dikonfirmasi melalui simulasi ini cukup menarik. Awalnya, hanya ada butiran debu kecil berukuran 1 mikrometer yang melayang-layang. Ukurannya hanya puluhan hingga ratusan kali lebih kecil dari diameter rambut manusia. Butiran-butiran kecil ini saling bertabrakan dan tumbuh menjadi ukuran milimeter hingga sentimeter. Bergantung pada massa lubang hitam pusat dan jarak dari lubang hitam, waktu yang dibutuhkan butiran debu untuk tumbuh sangat bervariasi, mulai dari ribuan hingga ratusan juta tahun.
Namun, ketika debu mulai tumbuh lebih besar, masalah baru bisa muncul. Gas di dalam cakram melambat karena tekanan. Butiran debu terus bergerak sambil saling bertukar gaya dengan gas. Dalam proses ini, tempat di mana debu terkumpul sedikit lebih banyak mulai menarik lebih banyak debu di sekitarnya dengan gaya yang lebih kuat. Layaknya satu atau dua mobil yang melambat di jalan raya menyebabkan kendaraan di belakangnya menumpuk, butiran debu pun mulai terkonsentrasi di area tertentu pada cakram. Debu yang menumpuk ini memadat dan membentuk filamen panjang.
Jumlah debu murni yang ada dalam satu filamen ini sangatlah berat. Bisa mencapai puluhan ribu hingga jutaan kali massa Jupiter. Bahkan, bisa setara dengan massa Matahari. Debu dalam jumlah yang luar biasa banyak itu terkumpul membentuk pita panjang di tengah cakram. Namun, filamen ini tidak langsung menyatu menjadi satu planet.
Saat kepadatan sudah cukup tinggi, filamen itu sendiri tidak mampu menahan gravitasinya sendiri dan akhirnya runtuh. Proses ini memecahnya menjadi banyak gumpalan yang lebih kecil. Ini mirip dengan proses pembentukan asteroid dan planetesimal di tata surya, tetapi dengan skala yang jauh lebih besar. Menurut simulasi ini, massa planet yang terbentuk melalui proses ini umumnya sekelas Jupiter. Jika kita menghitung semua planet yang lahir di seluruh cakram, jumlahnya bisa mencapai puluhan juta. Di sekitar lubang hitam yang ganas di pusat galaksi, planet-planet berat seukuran Jupiter lahir dalam jumlah yang mungkin setara dengan populasi Korea Selatan kita saat ini.
Planet-planet awal yang lahir seperti ini kemudian menyapu debu dan kerikil kecil yang tersisa di sekitarnya. Proses ini disebut sebagai akresi kerikil (pebble accretion). Seiring pertumbuhan benda langit, gravitasinya menjadi lebih kuat dan mampu menangkap lebih banyak materi. Dengan cara ini, planet dapat menggandakan ukurannya dalam waktu sekitar 1.000 hingga 10 juta tahun. Di cakram protoplanet biasa, proses ini biasanya memakan waktu jutaan tahun. Namun, karena material di sekitar cakram inti galaksi aktif sangat berlimpah, planet bisa tumbuh dengan cepat hanya dalam 1.000 tahun, bergantung pada kondisinya.
Di sinilah perbedaan penting antara sekitar lubang hitam dan sekitar bintang biasa terjadi. Di sekitar bintang biasa, planet tidak bisa tumbuh tanpa batas. Planet yang tumbuh secara bertahap membersihkan cakram di sekitarnya hingga terbentuk celah kosong. Kerikil di sekitar tidak bisa lagi mendekat dan pertumbuhan pun terhambat. Oleh karena itu, planet di sekitar bintang biasanya memiliki batas pertumbuhan setelah mencapai massa tertentu. Ini disebut sebagai massa isolasi kerikil (Pebble Isolation Mass).
Namun, di sekitar lubang hitam, materialnya justru sangat berlimpah. Karena material tersebar di mana-mana, planet tidak berhenti tumbuh dan terus menjadi semakin berat. Bahkan, ia melampaui massa awal yang diperlukan untuk terjadinya fusi nuklir hidrogen. Batas antara planet dan bintang pun menjadi kabur. Akhirnya, meskipun dimulai dari butiran debu, kerikil, dan bebatuan, karena pertumbuhannya yang tak henti-hentinya, planet tersebut terus tumbuh hingga menjadi bintang sungguhan. Di sekitar lubang hitam, planet benar-benar mungkin tumbuh menjadi bintang.
Komposisi kimia benda-benda langit ini pun lebih aneh lagi. Debu dalam astronomi sebenarnya berbeda dengan debu tanah sederhana. Debu ini merujuk pada partikel padat yang terdiri dari unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium, seperti silikon, oksigen, besi, dan magnesium. Benda langit yang baru lahir di sekitar lubang hitam pada dasarnya adalah gumpalan yang dibuat hanya dari elemen-elemen berat ini. Proporsi elemen beratnya hampir 100%!
Di beberapa wilayah yang dekat, yakni dalam jarak 3 tahun cahaya dari lubang hitam, gumpalan benda padat yang sangat berat dapat terbentuk—bukan planet gas, melainkan gumpalan yang seluruhnya terdiri dari batuan dan logam dengan massa seukuran Jupiter. Mulai dari wilayah 30 tahun cahaya ke luar, benda langit berbatu murni yang melampaui massa awal yang diperlukan untuk fusi nuklir hidrogen pun bisa lahir. Mengejutkannya, benda raksasa ini memiliki massa yang setara dengan bintang, namun bukanlah gumpalan plasma yang terbuat dari hidrogen! Mereka sebagian besar adalah bongkahan logam raksasa yang terdiri dari silikat dan logam. Mungkin, bentuknya lebih mirip dengan Death Star dalam film.
Lantas, seperti apa wujudnya? Bagian intinya mungkin terkompresi secara ekstrem hingga memasuki keadaan degenerasi seperti bintang neutron atau kerdil putih. Permukaannya mungkin panas dan meleleh karena isotop radioaktif seperti aluminium-26 melepaskan panas. Akibatnya, permukaan planet mungkin dipenuhi lautan magma, dan gas yang keluar dari batuan yang menguap mungkin membentuk atmosfer tipis di planet tersebut. Para astronom menyebut benda langit aneh yang mungkin mengorbit di sekitar lubang hitam ini sebagai ‘tetesan lava raksasa yang terdegenerasi’.
Jadi, bisakah kita memastikan melalui pengamatan apakah benda langit aneh ini benar-benar ada di alam semesta? Belum ada metode yang tepat saat ini. Tidak seperti planet yang mengorbit bintang biasa, tidak mudah untuk menemukan planet yang mengelilingi lubang hitam yang sangat kuat. Inti galaksi aktif itu sendiri terletak sangat jauh di luar galaksi kita, dan karena jauh lebih terang serta kuat dibandingkan planet, pengamatan langsung terhadap planet kecil yang tersembunyi di sekitarnya hampir mustahil. Kita mungkin bisa mencoba mengamati semacam transit, di mana cahaya sinar-X meredup saat planet melintas di depan sumber sinar-X kecil di sekitar lubang hitam. Selama ini sudah ada beberapa penelitian yang menyebutkan kandidat planet di sekitar lubang hitam, namun belum ada yang secara resmi dikonfirmasi hingga saat ini.
Namun, melihat kondisi fisiknya, lubang hitam mungkin adalah tempat di alam semesta yang paling antusias dan konsisten dalam menciptakan planet dalam jumlah terbanyak. Planet asing yang dikunjungi protagonis dalam film ‘Interstellar’ juga berada di lingkungan aneh di dekat lubang hitam, mempertahankan suhunya dengan menerima cahaya dari cakram akresi lubang hitam.
Mungkin selama ini kita terlalu terjebak dalam stereotip kaku ketika mendengar kata ‘planet’. Planet yang mengorbit bintang biasa di pusatnya, seperti Bumi yang mengelilingi Matahari, justru mungkin menjadi kasus yang paling langka jika dilihat dari seluruh alam semesta. Di alam semesta, ada jauh lebih banyak planet pengembara (rogue planets) yang melayang sendirian di ruang angkasa tanpa bintang di pusatnya. Bahkan, planet-planet gumpalan logam yang lebih aneh mungkin terus-menerus tercurah di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi. Jika kita menggunakan tolak ukur jumlah, mungkin planet yang mengelilingi bintang seperti kita inilah yang justru merupakan dunia yang langka dan aneh.
Referensi
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae6f0b
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta setelah menonton ‘Galaxy Express 999’. Saat ini, ia aktif sebagai profesor asisten di Fakultas Studi Bebas Universitas Sejong, melakukan berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah 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 buku seperti ‘Bagaimana Saya Membunuh Pluto’, ‘Quantum Life’, dan ‘UFO’.