NuSTAR Menyelidiki Misteri Semburan Lubang Hitam

Ilustrasi piringan akresi lubang hitam dan semburan gas panas yang disebut plasma.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Lubang hitam terkenal sebagai objek kosmik yang “rakus”. Tapi, lubang hitam sebenarnya tidak memakan segala sesuatu yang jatuh ke arahnya. Sebagian kecil material ditembakkan kembali dalam berkas sempit (jet) gas panas sangat kuat yang disebut plasma. Entah bagaimana prosesnya, plasma mendapat cukup energi untuk memancarkan cahaya dengan kuat dan membentuk dua kolom terang di sepanjang poros rotasi lubang hitam. Para ilmuwan telah lama memperdebatkan bagaimana hal semacam ini bisa terjadi.

Sekarang, para astronom seperti telah mendapatkan petunjuk baru terkait misteri ini. Menggunakan Teleskop Antariksa NuSTAR NASA dan kamera cepat yang disebut ULTRACAM di Observatorium William Herschel, La Palma, Spanyol, para astronom mampu mengukur jarak yang ditempuh partikel jet sebelum “menyala” dan menjadi sumber cahaya terang. Jarak ini disebut “zona akselerasi”. Makalah studi yang melaporkan hasil penelitian telah dipublikasikan di jurnal Nature Astronomy.

Para astronom melihat dua sistem “sinar-X biner” di galaksi Bima Sakti. Masing-masing sinar-X bersumber dari lubang hitam yang menghisap sebuah bintang. Mereka mempelajari kedua sistem pada titik yang berbeda selama periode letusan, yaitu saat piringan akresi, struktur datar material yang mengorbit lubang hitam, menjadi cerah karena material yang jatuh ke lubang hitam.

Sistem pertama yang disebut V404 Cygni, hampir mencapai skala puncak kecerahan saat para ilmuwan mengamatinya pada bulan Juni tahun 2015. Pada saat itu, sistem mengalami ledakan sinar-X biner paling terang yang terlihat pada abad ke-21. Yang kedua adalah sistem GX 339-4, saat diamati skala kecerahannya hanya sekitar 1 persen dari kecerahan maksimum yang diharapkan. Lokasi bintang dan lubang hitam GX 339-4 lebih dekat daripada sistem V404 Cygni.

Terlepas adanya perbedaan di kedua sistem ini, masing-masing menunjukkan jeda waktu yang sama, sekitar sepersepuluh detik. Jeda waktu terjadi di antara deteksi sinar-X pertama oleh NuSTAR dan deteksi suar dalam cahaya kasat mata oleh ULTRACAM tak lama kemudian. Jeda waktu memang lebih singkat daripada kedipan mata, tapi dianggap penting bagi fisika jet lubang hitam.

“Salah satu kemungkinannya fisika jet lubang hitam tidak ditentukan oleh ukuran piringan akresi, namun ditentukan oleh kecepatan, suhu dan sifat partikel lainnya di dasar jet,” kata penulis utama makalah studi astronom Poshak Gandhi dari Universitas Southampton, Inggris.

Hasil studi mengarah ke sebuah teori bahwa sinar-X berasal dari material yang berada sangat dekat dengan lubang hitam. Medan magnet kuat lubang hitam mendorong beberapa material dalam kecepatan tinggi di sepanjang jet. Akibatnya partikel yang melesat hampir secepat cahaya saling bertabrakan dan memberikan energi kepada plasma untuk memancarkan aliran radiasi optik yang dideteksi ULTRACAM.

Di mana jet terjadi? Jeda waktu antara deteksi optik dan sinar-X menjelaskan fenomena ini. Dengan mengalikan jeda waktu dengan kecepatan partikel yang merambat hampir secepat cahaya, para astronom dapat menentukan jarak maksimum yang akan ditempuh.

Membentang sekitar 30.000 kilometer adalah zona terdalam akselerasi jet, saat plasma dipengaruhi oleh akselerasi terkuat dan “menyala” atau memancarkan cahaya. Meskipun diameternya hanya tiga kali lipat lebih kecil daripada Bumi, bobot lubang hitam V404 Cygni sekitar 3 juta kali lipat Bumi.

“Para astronom ingin memperbaiki model mekanisme yang menggerakkan jet menggunakan hasil penelitian ini,” jelas rekan penulis makalah studi astronom Daniel Stern dari Laboratorium Propulsi Jet NASA di Pasadena, California.

Melakukan pengukuran ini tidak mudah. Teleskop sinar-X yang ditempatkan di luar angkasa dan teleskop optik di darat, harus melihat sinar-X biner secara bersamaan saat letusan terjadi, dan para ilmuwan hanya memiliki jeda waktu singkat antara deteksi kedua teleskop. Koordinasi semacam itu membutuhkan perencanaan kompleks antara tim observatorium. Sebenarnya, koordinasi antara NuSTAR dan ULTRACAM hanya dapat dilakukan sekitar satu jam selama ledakan tahun 2015, tapi dirasa cukup untuk menghasilkan terobosan perhitungan zona akselerasi.

Hasil studi juga nampak berhubungan dengan pemahaman para astronom tentang lubang hitam supermasif, yang jauh lebih besar daripada lubang hitam dalam penelitian ini. Dalam sistem supermasif yang disebut BL Lacertae, lubang hitamnya mencapai 200 juta kali massa Matahari, dan para astronom telah memperkirakan jeda waktu akan berlangsung jutaan kali lebih lama daripada jeda waktu yang dihitung oleh penelitian ini. Berarti radius zona akselerasi jet kemungkinan terkait erat dengan massa lubang hitam.

“Kami merasa lega berhasil menemukan tolak ukur karakteristik terkait mekanisme yang menggerakkan jet, tidak hanya di lubang hitam bermassa bintang seperti V404 Cygni, tapi juga pada lubang hitam monster supermasif,” Gandhi menambahkan.

Langkah selanjutnya adalah mengkonfirmasi pengukuran jeda waktu dengan observasi sinar-X biner lainnya dan untuk mengembangkan sebuah teori kuat yang dapat diterapkan ke setiap jet lubang hitam dari segala ukuran.

Kerja sama apik teleskop berbasis darat dan antariksa merupakan kunci penemuan ini, meskipun masih banyak yang harus dipelajari. Masa depan cerah menanti fisika ekstrem lubang hitam," pungkas Fiona Harrison, peneliti utama NuSTAR dan profesor astronomi dari Caltech, Pasadena.

Ditulis oleh: Elizabeth Landau, Laboratorium Propulsi Jet NASA di Pasadena, California, www.nasa.gov, editor: Tony Greicius

Sumber: NuSTAR Probes Black Hole Jet Mystery

#terimakasihgoogle