Penemuan Lubang Hitam Supermasif di Alam Semesta Awal Membuka Misteri Pertumbuhan Cepat

ASTRONOM yang menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST), menemukan lubang hitam supermasif yang sangat besar dan jauh di alam semesta awal. Lubang hitam tersebut tampaknya jauh lebih besar dibandingkan dengan massa bintang di galaksi yang menampungnya.

Di alam semesta modern, untuk galaksi yang dekat dengan Bima Sakti kita, lubang hitam supermasif cenderung memiliki massa sekitar 0,01% dari massa bintang galaksi tempat mereka berada. Jadi, untuk setiap 10.000 massa Matahari yang diatributkan pada bintang di sebuah galaksi, terdapat sekitar satu massa Matahari dari lubang hitam supermasif di pusatnya.

Dalam penelitian baru ini, para peneliti secara statistik menghitung lubang hitam supermasif di beberapa galaksi awal yang dilihat JWST memiliki massa sekitar 10% dari massa bintang galaksi mereka. Itu berarti, untuk setiap 10.000 massa Matahari dalam bentuk bintang di galaksi-galaksi ini, terdapat 1.000 massa Matahari berupa lubang hitam supermasif.

Baca juga : James Webb Ungkap Peran Lubang Hitam Supermasif dalam Evolusi Galaksi Elips Raksasa

“Massa lubang hitam supermasif ini sangat besar dibandingkan dengan massa bintang dari galaksi yang menampungnya,” kata pemimpin tim Jorryt Matthee, seorang ilmuwan di Institute of Science and Technology Austria (ISTA). “Pada pandangan pertama, pengukuran kami menunjukkan massa lubang hitam supermasif ini adalah 10% dari massa bintang di galaksi yang kami teliti.”

“Dalam skenario yang paling ekstrem, ini akan berarti bahwa lubang hitam tersebut 1.000 kali lebih berat.”

Penemuan ini bisa membawa astronom selangkah lebih dekat untuk memecahkan misteri bagaimana lubang hitam supermasif dengan massa jutaan atau bahkan miliaran kali massa Matahari bisa tumbuh begitu cepat di alam semesta awal.

Baca juga : Ilmuwan Temukan Lubang Hitam yang Menembakkan Energi ke Bumi

“Daripada mengatakan bahwa penemuan ini 'mengkhawatirkan,' saya akan mengatakan ini 'menjanjikan,' karena perbedaan besar ini menunjukkan bahwa kita akan segera mempelajari sesuatu yang baru,” tambah Matthee.

Cerita dimulai dengan titik merah kecil

Sejak JWST mulai mengirimkan data kembali ke Bumi pada musim panas 2022, teleskop senilai 10 miliar dolar AS ini telah membantu astronom menyempurnakan pemahaman mereka tentang alam semesta awal.

Ini termasuk penemuan lubang hitam supermasif dengan massa jutaan kali massa Matahari ketika alam semesta berusia kurang dari satu miliar tahun. Hal ini menjadi masalah, karena para ilmuwan telah memperkirakan bahwa rantai penggabungan lubang hitam yang semakin besar dan makanannya yang rakus terhadap materi sekitar yang membuat lubang hitam tumbuh menjadi supermasif diperkirakan memerlukan lebih dari satu miliar tahun.

Baca juga : Ternyata Masih Banyak Lubang Hitam Supermasif yang Tersembunyi 

Aspek penting lain dari penyelidikan JWST terhadap alam semesta awal adalah penemuan "galaksi titik merah kecil," beberapa di antaranya ada hanya 1,5 miliar tahun setelah Big Bang, ketika alam semesta berusia sekitar 11% dari usia sekarang.

Warna merah dari galaksi awal yang mengejutkan cerah ini diperkirakan berasal dari gas dan debu dalam awan datar materi di sekitar lubang hitam supermasif yang disebut cakram akresi. Ketika lubang hitam raksasa ini menghisap materi ini, mereka memancarkan sejumlah besar energi elektromagnetik dari wilayah kompak yang dikenal sebagai inti galaksi aktif (AGN).

“Pada 2023 dan 2024, kami dan kelompok lain menemukan populasi AGN yang sebelumnya tersembunyi di alam semesta awal dalam dataset pertama dari JWST,” kata Matthee. “Cahaya yang kami lihat dari objek-objek ini, khususnya cahaya yang lebih merah, berasal dari cakram akresi di sekitar lubang hitam supermasif.

Baca juga : Lubang Hitam Supermasif Meledak Dua Kali: Penemuan Langka dalam Peristiwa Gangguan Pasang Surut

“Objek-objek ini kemudian dikenal sebagai 'titik merah kecil' karena tampilannya seperti itu di gambar JWST.”

Saat ini, populasi galaksi awal ini sangat menarik, meskipun masih kurang dipahami. Misalnya, di alam semesta awal, titik merah kecil tampaknya jauh lebih banyak dibandingkan dengan populasi AGN yang sebelumnya diketahui, yang terlihat dari Bumi sebagai quasar yang didorong oleh lubang hitam supermasif.

“Titik merah kecil ini juga menunjukkan beberapa sifat yang sangat mencolok, seperti kelemahan dalam emisi sinar-X, yang cukup tidak biasa untuk AGN, dan emisi inframerah juga tidak biasa,” kata Matthee. “Karena komplikasi ini, kami kesulitan untuk menginterpretasikan cahaya yang kami amati dari titik merah kecil ini, yang berarti sangat sulit untuk mempelajari sifat-sifat mereka.”

Di sinilah pekerjaan baru Matthee dan rekan-rekannya berperan. Menggunakan dataset dari JWST tahun kedua (siklus 2) dalam survei “All the Little Things (ALT)”, tim ini membuat peta 3D yang tepat dari semua galaksi di wilayah tertentu di langit.

“Di dalam wilayah itu, kami telah mengidentifikasi tujuh titik merah kecil, mirip dengan studi sebelumnya, tetapi sekarang kami dapat membandingkan lokasi titik merah kecil ini dalam peta galaksi 3D,” kata Matthee.

Titik merah kecil ini terletak begitu jauh sehingga cahaya mereka telah melakukan perjalanan ke kita selama sekitar 12,5 miliar tahun. Mereka terkelompok di jaringan kosmik galaksi, dengan posisi mereka yang sangat penting.

Galaksi titik merah kecil adalah potongan dalam jaringan kosmik

Posisi galaksi dalam jaringan kosmik bergantung pada jenis galaksi. Galaksi yang lebih berkembang dan besar ditemukan di wilayah padat seperti node tempat benang-benang jaringan bertemu. Galaksi muda dan dengan massa lebih rendah cenderung ditemukan di wilayah yang kurang padat dalam jaringan kosmik, sepanjang panjang benang individu yang jauh dari node.

“Kami telah menemukan bahwa titik merah kecil ini berada di lingkungan yang mirip dengan galaksi muda ber-massa rendah,” kata Matthee. “Ini menunjukkan bahwa galaksi titik merah kecil ini juga adalah galaksi muda dengan massa rendah.”

Fakta bahwa galaksi titik merah kecil ini mengandung AGN memberikan bukti  lubang hitam awal tumbuh aktif di galaksi dengan massa bintang serendah sekitar 100 juta kali massa Matahari.

Salah satu penjelasan untuk ini adalah bahwa lubang hitam supermasif di alam semesta awal berhasil terbentuk dan tumbuh jauh lebih efisien dibandingkan dengan yang ada di alam semesta saat ini. Ini mungkin disebabkan oleh konsumsi gas dan materi sekitar yang lebih cepat.

“Menurut saya, penjelasan yang paling mungkin adalah pertumbuhan lubang hitam supermasif yang sangat cepat yang didorong oleh kerapatan gas tinggi galaksi di alam semesta awal,” kata Matthee. “Kerapatan ini secara bersamaan menghasilkan kerapatan bintang yang tinggi, yang mempromosikan pembentukan lubang hitam supermasif melalui tabrakan lubang hitam sisa yang sangat cepat.”

Jika itu benar, maka pembentukan bintang dan lubang hitam supermasif di galaksi saling terkait, dengan proses-proses ini bergantung satu sama lain. Meskipun lubang hitam supermasif tumbuh lebih cepat di galaksi awal, pembentukan bintang akan mengejar, menghasilkan rasio massa 1:100 yang terlihat saat ini.

Ini belum membuktikan teori pertumbuhan cepat di atas penjelasan pertumbuhan lubang hitam supermasif lainnya, seperti gagasan bahwa raksasa kosmik ini tumbuh dari benih lubang hitam besar yang terbentuk akibat kolaps langsung awan gas dan debu besar.

Namun, Matthee menambahkan sekarang akan sulit bagi para teoretikus untuk mengabaikan massa galaksi induk yang rendah saat teori yang bersaing dipertimbangkan.

Matthee menjelaskan langkah berikutnya bagi tim dan komunitas astronomi secara luas adalah menghilangkan kemungkinan rasio massa bintang/massa lubang hitam yang mereka temukan bukan hasil dari pengukuran yang tidak akurat atau bias pemilihan, yang mungkin telah memihak pada lubang hitam supermasif yang paling aktif dan karenanya paling besar.

Ini kemungkinan akan melibatkan penemuan lebih banyak galaksi titik merah kecil, pencarian yang akan berada di jantung penelitian JWST.

“JWST sangat penting untuk dua alasan utama: Tanpanya, kami tidak akan menemukan populasi AGN yang redup tersebut,” kata Matthee. “Juga, tanpa JWST, kami tidak akan dapat membuat peta 3D yang akurat dari distribusi galaksi yang kami gunakan untuk menyimpulkan sifat galaksi yang menampung AGN yang redup.”

“Ini adalah bidang penelitian yang sangat menarik saat ini!”

Penelitian tim ini belum dipublikasikan dalam jurnal yang telah ditinjau oleh sejawat. Namun, telah diposting di situs repositori makalah arXiv. (Space/Z-3)