Berapa banyak cara untuk meninggalkan alam semesta ini?
Mungkin jalan keluar yang paling terkenal adalah kematian sebuah bintang. Pada tahun 1939, fisikawan J. Robert Oppenheimer dan muridnya Harlan Snyder, dari Universitas California, Berkeley, meramalkan bahwa ketika sebuah bintang yang cukup masif kehabisan bahan bakar termonuklir, ia akan runtuh ke dalam dan terus runtuh selamanya, sehingga akan menyusutkan ruang, waktu, dan cahaya. mengelilingi dirinya dalam apa yang sekarang disebut lubang hitam.
Namun ternyata bintang mati mungkin tidak diperlukan untuk membuat lubang hitam. Sebaliknya, setidaknya di alam semesta awal, awan gas purba raksasa mungkin telah runtuh langsung ke dalam lubang hitam, melewati jutaan tahun yang dihabiskan untuk menjadi bintang.
Itulah kesimpulan sementara yang baru-baru ini dicapai oleh sekelompok astronom yang mempelajari UHZ-1, setitik cahaya yang berasal tidak lama setelah Big Bang. Faktanya, UHZ-1 adalah quasar kuat yang menyemburkan api dan sinar-X dari lubang hitam raksasa 13,2 miliar tahun yang lalu, ketika usia alam semesta belum genap 500 juta tahun.
Secara kosmik, hal ini terjadi dalam waktu yang sangat cepat, karena lubang hitam sebesar itu bisa terbentuk melalui keruntuhan dan penggabungan bintang. Priyamvada Natarajan, astronom di Yale dan penulis utama sebuah makalah yang diterbitkan di Astrophysical Journal Lettersdan rekan-rekannya, berpendapat bahwa dalam UHZ-1 mereka telah menemukan spesies langit baru, yang mereka sebut sebagai galaksi lubang hitam yang terlalu masif, atau OBG. Intinya, OBG adalah galaksi muda yang berlabuh di lubang hitam yang menjadi terlalu besar dan terlalu cepat. .
Penemuan quasar dewasa sebelum waktunya ini dapat membantu para astronom memecahkan teka-teki terkait yang telah menarik perhatian mereka selama beberapa dekade. Hampir setiap galaksi yang terlihat di alam semesta modern tampaknya memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya yang jutaan miliar kali lebih besar dari matahari. Darimana monster-monster itu berasal? Mungkinkah lubang hitam biasa tumbuh begitu besar dengan begitu cepat?
Dr Natarajan dan rekan-rekannya mengusulkan bahwa UHZ-1, dan mungkin banyak lubang hitam supermasif, dimulai sebagai awan primordial. Awan-awan ini bisa saja runtuh menjadi inti-inti yang sangat besar sebelum waktunya – dan cukup untuk memicu pertumbuhan galaksi lubang hitam yang sangat besar. Ini adalah pengingat lain bahwa alam semesta yang kita lihat diatur oleh geometri kegelapan yang tak kasat mata.
“Sebagai kandidat OBG pertama, UHZ-1 memberikan bukti kuat pembentukan benih awal yang berat dari keruntuhan langsung di awal alam semesta,” tulis Dr. Natarajan dan rekan-rekannya. Dalam sebuah email, dia menambahkan: “Alam tampaknya menghasilkan benih BH dalam banyak cara, lebih dari sekadar kematian yang luar biasa!”
Daniel Holz, ahli teori di Universitas Chicago yang mempelajari lubang hitam mengatakan: “Priya telah menemukan lubang hitam yang sangat menarik, jika benar.”
Dia menambahkan, “Ini terlalu besar dan terlalu dini. Ini seperti melihat ke dalam ruang kelas taman kanak-kanak dan di antara semua anak berusia 5 tahun ada yang memiliki berat 150 pon dan/atau tinggi enam kaki.”
Menurut cerita yang diceritakan para astronom tentang evolusi alam semesta, bintang-bintang pertama terkondensasi dari awan hidrogen dan helium yang tersisa dari Big Bang. Mereka terbakar panas dan cepat, dengan cepat meledak dan runtuh menjadi lubang hitam 10 hingga 100 kali lebih besar dari matahari.
Selama ribuan tahun, generasi bintang berturut-turut terbentuk dari abu bintang sebelumnya, sehingga memperkaya kimia kosmos. Dan lubang hitam yang tersisa dari kematiannya terus bergabung dan berkembang, menjadi lubang hitam supermasif di pusat galaksi.
Teleskop Luar Angkasa James Webb, yang diluncurkan dua tahun lalu pada Natal ini, dirancang untuk menguji gagasan ini. Ia memiliki cermin terbesar di ruang angkasa, dengan diameter 21 kaki. Lebih penting lagi, ia dirancang untuk merekam panjang gelombang inframerah dari cahaya bintang terjauh dan paling awal di alam semesta.
Namun begitu teleskop baru ini diarahkan ke angkasa, teleskop tersebut berhasil menangkap galaksi-galaksi baru yang begitu masif dan terang hingga melampaui ekspektasi para kosmolog. Perdebatan telah berkembang selama beberapa tahun terakhir mengenai apakah pengamatan ini benar-benar mengancam model kosmos yang sudah lama ada. Model tersebut menggambarkan alam semesta terdiri dari jejak materi yang terlihat, “materi gelap” dalam jumlah yang sangat besar, yang memberikan gravitasi untuk menyatukan galaksi, dan “energi gelap”, yang mendorong galaksi-galaksi tersebut terpisah.
Penemuan UHZ-1 mewakili titik balik dalam perdebatan ini. Dalam persiapan untuk observasi masa depan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb terhadap sekelompok galaksi besar di konstelasi Sculptor, tim Dr. Natarajan meminta waktu di Observatorium Sinar-X Chandra milik NASA. Massa cluster bertindak sebagai lensa gravitasi, memperbesar objek yang berada jauh di belakangnya dalam ruang dan waktu. Para peneliti berharap dapat melihat sekilas apa pun yang terlihat oleh lensa melalui sinar-X.
Apa yang mereka temukan adalah quasar yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif yang berukuran sekitar 40 juta kali massa matahari. Pengamatan lebih lanjut oleh teleskop Webb mengkonfirmasi bahwa jaraknya 13,2 miliar tahun cahaya. (Gugus Sculptor berjarak sekitar 3,5 miliar tahun cahaya.) Ini adalah quasar terjauh dan paling awal yang pernah ditemukan di alam semesta.
“Kami membutuhkan Webb untuk menemukan galaksi yang sangat jauh ini, dan Chandra untuk menemukan lubang hitam supermasifnya,” kata Akos Bogdan dari Pusat Astrofisika Harvard & Smithsonian dalam siaran persnya. “Kami juga memanfaatkan kaca pembesar kosmik yang meningkatkan jumlah cahaya yang kami deteksi.”
Hasilnya menunjukkan bahwa lubang hitam supermasif sudah ada sejak 470 juta tahun setelah Big Bang. Waktu tersebut tidak cukup untuk memungkinkan lubang hitam yang diciptakan oleh bintang generasi pertama – yang bermassa 10 hingga 100 massa Matahari – tumbuh begitu besar.
Apakah ada cara lain untuk membuat lubang hitam yang lebih besar? Pada tahun 2017, Dr. Natarajan menyatakan bahwa runtuhnya awan gas purba dapat melahirkan lubang hitam yang berukuran 10.000 kali lebih besar dari matahari.
“Anda kemudian dapat membayangkan salah satu dari ini kemudian tumbuh menjadi lubang hitam muda yang besar sebelum waktunya,” kata Dr. Holz. Akibatnya, ia mencatat, “di setiap waktu berikutnya dalam sejarah alam semesta akan selalu ada lubang hitam berukuran sangat besar.”
Natarajan berkata, “Fakta bahwa lubang hitam ini berawal dari kehidupan yang sangat masif menyiratkan bahwa mereka kemungkinan besar pada akhirnya akan berevolusi menjadi lubang hitam supermasif.” Tapi tidak ada yang tahu cara kerjanya. Lubang hitam membentuk 10 persen massa pada quasar awal UHZ-1, sedangkan massanya kurang dari seperseribu persen massa galaksi modern seperti raksasa Messier 87, yang lubang hitamnya berbobot 6,5 miliar massa matahari ketika gambarnya diambil oleh Event Horizon Telescope pada tahun 2019.
Hal ini menunjukkan bahwa efek umpan balik lingkungan yang rumit mendominasi pertumbuhan dan evolusi galaksi-galaksi ini serta lubang hitamnya, sehingga menyebabkan massa bintang dan gasnya bertambah besar.
“Jadi sebenarnya OBG yang sangat awal ini benar-benar mengirimkan lebih banyak informasi tentang, dan menerangi, penyemaian fisika daripada pertumbuhan dan evolusi selanjutnya,” kata Dr. Natarajan. Dia menambahkan: “Meskipun mereka memiliki implikasi penting.”.
Dr. Holz berkata, “Pastinya akan menyenangkan jika hal itu terjadi, tapi saya benar-benar agnostik.” Dia menambahkan, “Ini akan menjadi cerita yang menarik tidak peduli bagaimana kita memecahkan misteri awal lubang hitam besar.”
