Teka-Teki Lubang Hitam Supermasif di Alam Semesta Awal Belum Terpecahkan

PARA Astronom menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST), melihat kembali 13 miliar tahun ke belakang dan menemukan quasar bertenaga lubang hitam supermasif yang ternyata sangat sepi.

Pengamatan JWST ini membingungkan karena lubang hitam yang terisolasi seharusnya kesulitan untuk mengumpulkan cukup massa untuk mencapai status supermasif, terutama hanya beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang. Penemuan ini semakin mempersulit pemahaman bagaimana beberapa lubang hitam tumbuh hingga bermassa jutaan atau bahkan miliaran kali lipat massa matahari saat alam semesta baru berusia kurang dari satu miliar tahun.

Penemuan ini terjadi setelah tim ilmuwan menggunakan JWST untuk mempelajari lingkungan lima quasar paling awal yang dikenal, yang terbentuk ketika alam semesta berusia antara 600 dan 700 juta tahun. Tim menemukan lingkungan quasar ini, yang dikenal sebagai "ladang quasar," sangat bervariasi. 

Baca juga : Penemuan Quasar dengan Angin Kuat di Galaksi Paling Awal Menghentikan Pembentukan Bintang

Beberapa berada di lingkungan padat seperti yang diprediksi oleh para ilmuwan, tetapi yang lain berada di lingkungan yang jarang yang kesulitan menyediakan cukup materi untuk pertumbuhan lubang hitam supermasif.

"Bertentangan dengan kepercayaan sebelumnya, kami menemukan bahwa rata-rata, quasar-quasar ini tidak selalu berada di wilayah paling padat dari alam semesta awal. Beberapa tampaknya berada di tengah-tengah yang kosong," kata Anna-Christina Eilers, asisten profesor fisika di Massachusetts Institute of Technology, dalam sebuah pernyataan. 

"Sulit menjelaskan bagaimana quasar-quasar ini bisa tumbuh begitu besar jika mereka tampaknya tidak memiliki materi untuk mendukung pertumbuhan mereka."

Baca juga : Teleskop James Webb Temukan Lubang Hitam Tertua

Quasar Membutuhkan Pasokan Penuh

Lubang hitam supermasif diyakini berada di pusat semua galaksi besar di alam semesta modern. Karena tidak ada bintang yang cukup besar untuk runtuh dan membentuk lubang hitam dengan massa besar seperti itu, para ilmuwan tahu bahwa lubang hitam supermasif harus terbentuk dengan cara yang berbeda dari lubang hitam bermassa bintang, yang massanya berkisar antara 10 hingga 100 kali lipat massa matahari, yang terbentuk dari kematian bintang besar.

Lubang hitam supermasif mungkin tumbuh melalui penggabungan bertahap dari lubang hitam yang lebih besar, tetapi proses ini seharusnya memakan waktu lebih dari 1 miliar tahun. Namun, JWST melihat lubang hitam supermasif yang terbentuk dalam waktu jauh lebih singkat.

Baca juga : Astronom Temukan Lubang Hitam Purba Tertua, Berusia Miliaran Tahun

Lubang hitam supermasif ini berada di lingkungan aktif kaya gas yang disebut inti galaksi aktif (AGN), yang memberi makan pertumbuhan mereka. Massa yang sangat besar dari lubang hitam ini menyebabkan awan gas dan debu di sekitarnya bersinar terang, sering kali lebih terang daripada gabungan cahaya semua bintang di galaksi mereka. Cahaya ini, yang triliunan kali lebih terang dari matahari, menandakan keberadaan quasar.

Namun, lubang hitam supermasif memerlukan "layanan pengiriman" untuk menjaga lingkungan sekitarnya tetap penuh dengan gas dan debu agar mencapai kecerahan yang luar biasa ini.

"Sungguh fenomenal bahwa sekarang kita memiliki teleskop yang dapat menangkap cahaya dari 13 miliar tahun lalu dengan begitu detail," kata Eilers. "Untuk pertama kalinya, JWST memungkinkan kita melihat lingkungan tempat quasar-quasar ini tumbuh, dan seperti apa lingkungan mereka."

Baca juga : Ditemukan, Lubang Hitam Tertua Berskala 10 Juta Kali Lebih Besar Daripada Matahari

Untuk menyelidiki lingkungan yang lebih luas dari quasar, tim memilih lima wilayah bertenaga lubang hitam supermasif yang dipelajari oleh JWST antara Agustus 2022 dan Juni 2023. Ini memerlukan "menjahit" beberapa gambar untuk membuat mosaik ladang quasar untuk setiap lingkungan lubang hitam supermasif.

Dengan memproses panjang gelombang cahaya di dalam gambar, juga dimungkinkan untuk menentukan apakah cahaya itu berasal dari galaksi tetangga quasar dan mengukur seberapa jauh galaksi itu berasal dari quasar pusat yang terang.

"Kami menemukan satu-satunya perbedaan antara lima quasar ini adalah lingkungan mereka yang terlihat begitu berbeda," kata Eilers. "Misalnya, satu quasar memiliki hampir 50 galaksi di sekitarnya, sementara yang lain hanya memiliki dua. Dan kedua quasar berada dalam volume, kecerahan, dan waktu yang sama di alam semesta.

"Itu benar-benar mengejutkan untuk dilihat."

Apakah Lubang Hitam Supermasif Awal Mengalami 'Lonjakan Pertumbuhan'?

Temuan tim ini menantang pemahaman tentang pertumbuhan lubang hitam supermasif, bahkan pembentukan galaksi secara keseluruhan. Pemahaman saat ini menyatakan bahwa evolusi ini dipandu oleh "jaringan kosmik" besar yang terdiri dari materi gelap; materi gelap menyumbang sekitar 85% dari semua materi tetapi tetap tidak terlihat oleh kita.

Filamen materi gelap dalam jaringan kosmik memandu gas dan debu di alam semesta awal, menarik materi primordial di sepanjang untaian raksasanya. Di tempat di mana untaian jaringan kosmik ini bertemu, materi yang sangat padat menumpuk. Di sini, galaksi-galaksi awal terbentuk, dan quasar pertama seharusnya ditemukan.

"Jaringan kosmik materi gelap adalah prediksi yang kuat dari model kosmologis alam semesta kita, dan ini dapat dijelaskan secara rinci menggunakan simulasi numerik," kata pemimpin tim Elia Pizzati, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Leiden, dalam pernyataannya. 

"Dengan membandingkan pengamatan kami dengan simulasi ini, kami dapat menentukan di mana quasar-quasar ini berada di dalam jaringan kosmik."

Lubang hitam supermasif yang terletak di simpul-simpul jaringan kosmik ini seharusnya tumbuh melalui penyerapan gas dan debu yang cepat dan terus menerus, seperti layanan pengiriman galaksi, namun para ilmuwan masih perlu mengetahui bagaimana hal ini terjadi begitu awal dalam sejarah alam semesta.

"Pertanyaan utama yang kami coba jawab adalah, bagaimana lubang hitam bermassa miliaran matahari ini bisa terbentuk ketika alam semesta masih sangat muda? Alam semesta masih dalam masa pertumbuhan," kata Eilers.

Sayangnya, penelitian ini tampaknya justru menimbulkan lebih banyak pertanyaan daripada menjawab pertanyaan-pertanyaan yang sudah ada. Lingkungan yang kosong tampaknya menandakan kekurangan materi gelap dan kerapatan berlebih pada simpul-simpul jaringan kosmik. Jika demikian, teori mekanisme pertumbuhan saat ini tidak bisa menjelaskan quasar-quasar ini.

Salah satu solusi potensial untuk misteri ini adalah bahwa quasar-quasar awal ini sebenarnya dikelilingi oleh debu kosmik dan oleh karena itu tidak terlihat. Tim sekarang berencana untuk "menyesuaikan" pengamatan mereka pada ladang quasar yang tampaknya kosong ini untuk menemukan galaksi-galaksi tersembunyi.

"Hasil kami menunjukkan bahwa masih ada potongan teka-teki yang signifikan yang hilang tentang bagaimana lubang hitam supermasif ini tumbuh," kata Eilers. "Jika tidak ada cukup materi di sekitar untuk beberapa quasar bisa tumbuh terus menerus, itu berarti harus ada cara lain mereka bisa tumbuh yang belum kita ketahui." (Space/Z-3)