Bima Sakti, Rumah 100 Juta Lubang Hitam, dengan Implikasi Besar Bagi LIGO

Ilustrasi lubang hitam dikelilingi oleh gas yang memancarkan emisi sinar-X, menunjukkan salah satu cara bagaimana lubang hitam diidentifikasi dan ditemukan. Berdasarkan studi terbaru, mungkin ada sekitar 100 juta lubang hitam di galaksi Bima Sakti.
ESA, diambil melalui http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/blackholes2.html

Berapa banyak lubang hitam di galaksi Bima Sakti? Pertanyaan ini terbukti tidak mudah dijawab, karena lubang hitam sangat sulit dideteksi secara langsung. Namun, para astronom tidak tinggal diam, mereka telah mengembangkan metode tidak langsung untuk menemukan lubang hitam dan mengukurnya, sekaligus memahami bagaimana kosmos membentuknya dari kematian dramatis bintang.

Jika dapat memahami berbagai bintang yang eksis pada semua waktu yang berbeda dalam sejarah galaksi kita, maka kita dapat menyimpulkan berapa banyak lubang hitam dan mengukur massanya. Berkat studi komprehensif oleh tiga serangkai astronom dari UC Irvine, perkiraan akurat jumlah lubang hitam di galaksi seperti Bima Sakti berhasil terwujud. Galaksi kita tidak sekadar mengandung ratusan miliar bintang, tapi juga menjadi rumah bagi 100 juta lubang hitam.

Lubang hitam memang tidak bisa diamati secara langsung, namun emisi radio dan sinar X yang dihasilkan dari interaksi dengan material di sekelilingnya, dapat memberi kita petunjuk tentang lokasi dan sifat fisiknya.
J. Wise/Institut Teknologi Georgia dan J. Regan/Universitas Kota Dublin

Sungguh luar biasa apabila mengetahui bahwa hal tersebut terjadi belum begitu lama, kembali pada tahun 1980an, para ilmuwan belum yakin lubang hitam benar-benar ada. Bukti terbaik yang bisa kita peroleh adalah emisi sinar X dan radio yang memberikan pengaruh gravitasi melampaui bintang neutron, dan pada saat itu belum ada lensa optik maupun instrumen inframerah.

Selanjutnya, para astronom mulai mengukur pergerakan bintang di pusat galaksi menggunakan multi panjang gelombang astronomi, dan mengungkap mereka tampaknya mengorbit objek bermassa besar yang memiliki massa sekitar empat juta kali lipat massa Matahari. Konsisten dengan observasi lain terhadap galaksi yang lebih aktif, sekarang para astronom yakin di setiap pusat galaksi masif, termasuk galaksi kita, bersemayam lubang hitam supermasif.

Lubang hitam di pusat galaksi adalah yang paling masif. Berikut tiga cara kosmos membentuknya!

1. Ketika sebuah bintang di atas ambang batas tertentu, sekitar 20-40 massa Matahari, kehabisan bahan bakar fusi nuklir di bagian inti, ia mengakhiri hidupnya dalam ledakan supernova Tipe II dan runtuh menjadi lubang hitam. 
2. Dalam kasus yang berbeda, bintang masif (melampaui 20 massa Matahari) dapat langsung runtuh menjadi lubang hitam, tanpa sinyal supernova (atau meledakkan lapisan luarnya) sama sekali.
3. Ketika dua bintang neutron bergabung atau bertabrakan, sekitar 3 sampai 5% massa mereka dilontarkan ke medium antarbintang, sementara sisanya akan menjadi lubang hitam.

Tabrakan dua bintang neutron, sumber utama dari banyak elemen tabel periodik terberat di alam semesta. Sekitar 3-5% massa akan terlempar dari tabrakan semacam itu, selebihnya akan menjadi lubang hitam.
Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Oleh karena itu, masuk akal jika kita harus mengetahui bagaimana galaksi-galaksi terbentuk, tumbuh, dan menciptakan bintang-bintang sepanjang sejarah mereka. Para ilmuwan kemudian menjalankan simulasi yang dapat memperkirakan berapa banyak lubang hitam di dalam galaksi dari berbagai ukuran dan sejarah penggabungannya. Begitulah persisnya karya Oliver D. Elbert, James S. Bullock, dan Manoj Kaplinghat, yang baru-baru ini dipublikasikan. Apa yang mereka temukan terangkum dalam tiga pertanyaan yang harus dijawab terlebih dahulu untuk menghasilkan perkiraan seberapa banyak jumlah lubang hitam: 

• Berapa total massa galaksi?
• Berapa total massa bintang di galaksi?
• Dan berapa total kandungan metalisitas galaksi? (Metalisitas adalah semua unsur kecuali hidrogen dan helium, misalnya berapa persen massa elemen yang lebih berat daripada hidrogen dan helium di sebuah galaksi).

Jika ketiga pertanyaan ini dapat direkonstruksi, maka para ilmuwan tak sekadar dapat memperkirakan berapa banyak lubang hitam di dalamnya, bahkan termasuk massa yang dikandungnya.

Gambar sinar-X dan optik dari sebuah galaksi katai yang mengandung lubang hitam supermasif. Di galaksi katai ini, kemungkinan jumlah lubang hitamnya lebih sedikit, namun setidaknya ada lubang hitam yang lebih masif daripada lubang hitam di galaksi kita.
Sinar-X: NASA/CXC/Univ of Michigan/V.F.Baldassare, et al; Optik: SDSS; Ilustrasi: NASA/CXC/M.Weiss

Apa yang mereka temukan sedikit berlawanan dengan intuisi. Sebagian besar lubang hitam yang lebih kecil (sekitar 10 massa Matahari) ditemukan di galaksi seukuran Bima Sakti, namun yang lebih besar (sekitar 50 massa Matahari) justru ditemukan di galaksi katai yang massanya hanya 1% galaksi kita. Menurut penulis utama makalah studi Oliver Elbert: "Berdasarkan apa yang kita ketahui tentang pembentukan bintang di berbagai tipe galaksi, kita dapat menyimpulkan kapan dan berapa banyak lubang hitam terbentuk di setiap galaksi. Galaksi raksasa adalah rumah bagi bintang-bintang yang lebih tua, jadi mereka juga menjadi induk bagi lubang hitam yang lebih tua pula."

Alasan untuk ini ada kaitannya dengan fraksi elemen berat yang ada di dalamnya.

'Supernova redup' pada abad ke-19 memicu letusan raksasa, memuntahkan banyak material berharga bintang Eta Carinae ke media antarbintang. Bintang masif seperti ini berada di dalam galaksi yang lebih kaya logam seperti Bima Sakti. Mereka melepaskan sebagian besar massa bagi generasi baru bintang yang lebih kecil dan kurang masif.
Nathan Smith (Universitas California, Berkeley), dan NASA

Ketika sebuah bintang masif terbentuk, bukan berarti akan tetap masif selamanya. Tahap evolusi yang harus dijalani, akan membuat bintang kehilangan massa dari waktu ke waktu melalui peristiwa ejeksi. Semakin berat elemen yang dikandungnya, semakin besar bintang kehilangan massa, dan karena itu lubang hitam cenderung terbentuk dengan massa yang lebih rendah. Di galaksi seperti Bima Sakti, ada banyak elemen berat, terutama setelah banyak generasi baru bintang terbentuk. Tapi di galaksi katai bermassa rendah, unsur-unsur berat jauh lebih sedikit, yang berarti lubang hitam terbentuk dengan massa yang lebih berat.

Galaksi Starburst Henize 2-10, terletak 30 juta tahun cahaya dari Bumi. Galaksi yang lebih besar dan bermassa lebih tinggi memiliki lebih banyak lubang hitam daripada yang lebih kecil, namun lubang hitam di galaksi katai lebih berkualitas karena lebih masif.
Sinar-X: (NASA/CXC/Virginia/A.Reines dkk); Radio: (NRAO/AUI/NSF); Optik: (NASA/STScI)

Tapi penting untuk dicatat, hal ini adalah rata-rata. Karena faktanya, lubang hitam dengan berbagai massa harus muncul di semua tipe galaksi. Pertanyaan besar yang akhirnya bisa kita jawab, apakah distribusi massa lubang hitam ini kemungkinan ada di setiap galaksi. Menurut rekan penulis makalah studi James Bullock: "Kita memiliki pemahaman yang cukup tentang populasi bintang di alam semesta dan distribusi massa saat mereka lahir. Jadi kita dapat mengetahui berapa banyak lubang hitam yang seharusnya terbentuk dengan 100 kali massa Matahari, atau 10 kali massa Matahari. Kita bisa menemukan berapa banyak lubang hitam masif yang seharusnya ada, dan berakhir pada angka jutaan lubang hitam, lebih banyak dari yang saya perkirakan." 

Jumlah lubang hitam masif yang begitu banyak akan membawa implikasi luar biasa untuk menjelaskan penggabungan antar lubang hitam yang telah ditemukan oleh LIGO baru-baru ini.

Massa sistem lubang hitam biner, termasuk tiga penggabungan yang sudah terverifikasi dan satu kandidat penggabungan, berasal dari data LIGO.
LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet) 

Sebelum LIGO, para astronom tidak pernah memperkirakan bahwa sepasang lubang hitam dengan massa 30 kali Matahari akan saling mengorbit dan menyatu, namun LIGO telah memberi tahu kita, penggabungan semacam ini mungkin terjadi di mana-mana. Dengan begitu banyaknya jumlah lubang hitam yang berhasil diprediksi oleh studi terbaru ini, menunjukkan apa yang dilihat LIGO sebenarnya bukan hal yang terlalu istimewa.

Coauthor Manoj Kaplinghat mencatat, dengan sebegitu banyaknya lubang hitam, hanya dibutuhkan sebagian kecil dari mereka untuk menjelaskan deteksi sinyal LIGO. "Kami telah menunjukkan hanya 0,1 sampai 1 persen lubang hitam yang menggabungkan diri untuk menjelaskan apa yang LIGO lihat," kata Kaplinghat.

Meskipun telah melihat secara langsung penggabungan lubang hitam dalam tiga waktu terpisah di alam semesta, kita tahu ada lebih banyak peristiwa serupa. Berkat studi terbaru ini, kita dapat menentukan dengan tepat lokasi lubang hitam, sekaligus distribusi massanya.
LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Langkah selanjutnya yang akan ditempuh oleh para astronom adalah mencoba menghubungkan sinyal gelombang gravitasi dengan sinyal optik, sebagai upaya untuk menentukan dari galaksi manakah sinyal dan penggabungan lubang hitam akan terjadi. Selama dekade berikutnya, jika tingkat penggabungan sesuai dengan studi terbaru ini, kita dapat berharap untuk melihat penggabungan antar lubang hitam setara 50 kali massa Matahari. Selain itu, kita mulai dapat memahami apakah lubang hitam yang bermassa lebih tinggi, secara khusus mengelompok di galaksi-galaksi katai, seperti yang diperkirakan, atau apakah galaksi-galaksi yang lebih besar, lebih mendominasi.

Dengan 100 juta lubang hitam di galaksi kita sendiri, dan dengan ratusan miliar galaksi berukuran seperti Bima Sakti di alam semesta, hanya masalah waktu sebelum kemajuan teknologi dan sains menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Berkat studi terbaru ini, sisa-sisa dari bintang-bintang masif telah dapat dijelaskan dengan lebih baik daripada sebelumnya. 

Sumber: Milky Way Houses Up To 100 Million Black Holes, With Big Implications For LIGO

#terimakasihgoogle