Di kebun raya alam semesta, lubang hitam supermasif awalnya tumbuh dari sebuah “benih” yang dibesarkan oleh gas dan debu kosmik atau
melalui penggabungan dengan benda langit padat lainnya. Ukuran dan bobot “benih”
ini terus tumbuh dan menjadi pusat galaksi raksasa, seperti Bima Sakti. Tapi
tidak seperti tanaman yang memang tumbuh dari sebuah benih, “benih” lubang
hitam supermasif adalah lubang hitam itu sendiri. Dan hingga saat ini, benih
lubang hitam yang melahirkan lubang hitam supermasif belum pernah ditemukan.
Satu gagasan yang diajukan, lubang hitam
supermasif yang setara dengan massa ratusan ribu hingga miliaran kali massa
Matahari, tumbuh dari populasi lubang hitam berukuran lebih kecil yang belum
pernah ditemukan. Populasi lubang hitam yang sulit dipahami ini adalah
sekelompok “lubang hitam massa menengah”, dengan kisaran bobot di antara 100 hingga
10.000 Matahari. Ratusan lubang hitam yang telah ditemukan sejauh ini,
didominasi oleh lubang hitam relatif kecil dan tidak pernah ditemukan satupun lubang hitam
massa menengah.
Para ilmuwan terus menggalakkan studi
menggunakan jajaran teleskop antariksa terkuat milik NASA dibantu observatorium-observatorium lain, untuk melacak benda-benda langit jauh yang sesuai dengan deskripsi
entitas eksotis ini. Para ilmuwan sebenarnya telah menemukan lusinan kandidat dan terus berupaya
mengkonfirmasi apakah mereka memang lubang hitam massa menengah. Tetapi,
meskipun jika akhirnya lubang hitam massa menengah ditemukan, penemuan ini akan
membuka sebuah misteri baru: “bagaimana lubang hitam massa menengah terbentuk?”
“Mengapa sangat menarik dan mengapa para
ilmuwan menghabiskan begitu banyak waktu untuk menemukan lubang hitam massa
menengah, karena memang itu bisa menjelaskan proses yang terjadi di alam
semesta awal, seberapa besar massa lubang hitam purba dan mekanisme pembentukan
baru untuk lubang hitam yang belum pernah kita pikirkan,” ungkap Fiona Harrison,
seorang profesor di bidang fisika dari Caltech di Pasadena, California,
sekaligus peneliti utama misi NuSTAR NASA.
Lubang Hitam 101
Lubang hitam adalah benda langit yang sangat
padat di ruang angkasa, tidak ada yang bisa meloloskan diri dari gravitasinya
yang ekstrem, termasuk cahaya sekalipun. Apapun yang jatuh ke dalam lubang
hitam, tidak akan pernah bisa keluar dan semakin banyak material yang dihisap
maka lubang hitam akan tumbuh dalam hal massa dan ukuran.
Lubang hitam terkecil disebut “lubang hitam
massa bintang” dengan kisaran massa antara 1 hingga 100 kali massa Matahari.
Lubang hitam massa bintang terbentuk ketika sebuah bintang meledak dalam
fenomena ledakan dahsyat yang disebut supernova.
Sedangkan lubang hitam supermasif adalah
jangkar di pusat galaksi-galaksi raksasa. Misalnya, Sagitarius A*, lubang hitam
supermasif dengan massa sekitar 4,1 juta massa Matahari, adalah jangkar di
pusat galaksi Bima Sakti kita yang diorbit oleh Matahari dan seluruh bintang Bima Sakti. Bahkan lubang hitam yang jauh lebih masif, mencapai 6,5
miliar kali massa Matahari, bersemayam di pusat galaksi Messier 87. Lubang hitam supermasif Messier 87 legendaris berhasil diabadikan untuk pertama
kalinya dalam sejarah oleh Event Horizon Telescope
yang memperlihatkan lubang hitam beserta “bayangannya”. Bayangan ini adalah
horizon peristiwa, wilayah batas tak bisa kembali yang menekuk dan memerangkap
cahaya dengan gravitasinya yang sangat esktrem.
Lubang hitam supermasif cenderung memiliki
piringan material di sekitarnya yang disebut “piringan akresi”, terdiri dari
partikel-partikel berenergi tinggi dan panas yang bersinar terang ketika berada
semakin dekat dari horizon peristiwa. Lubang hitam supermasif yang “menyantap”
material dalam jumlah besar, menciptakan piringan akresi bersinar terang yang disebut
“inti galaksi aktif”.
Kepadatan materi yang dibutuhkan untuk
menciptakan lubang hitam sangat membingungkan. Untuk menghasilkan lubang hitam
dengan massa 50 kali massa Matahari, maka massa yang setara dengan 50 Matahari
tersebut harus dimampatkan menjadi sebuah bola dengan radius kurang dari 300
kilometer. Tetapi dalam kasus lubang hitam pusat Messier 87, seolah-olah 6,5
miliar Matahari dimampatkan menjadi bola dengan radius yang lebih luas daripada orbit Pluto mengitari Matahari. Dari kedua kasus tersebut, diperoleh massa
jenis yang sangat tinggi, sehingga material original harus runtuh ke dalam
singularitas.
Kunci utama misteri asal usul lubang hitam
ada pada batas fisik seberapa cepat ia tumbuh. Bahkan “monster” raksasa di
pusat galaksi juga memiliki keterbatasan pada kegilaan “nafsu makan”, karena
para ilmuwan menemukan sejumlah material yang didorong keluar oleh radiasi berenergi tinggi yang bersumber dari partikel panas yang dipercepat di dekat horizon
peristiwa. Contohnya, bila hanya mengakresi material di sekitarnya, lubang
hitam bermassa rendah kemungkinan dapat menggandakan massa dalam waktu 30
juta tahun.
“Jika benih lubang hitam adalah 50 massa
Matahari, ia tidak bisa tumbuh menjadi 1 miliar massa Matahari hanya dalam
waktu 1 miliar tahun,” kata Igor Chilingarian, seorang astrofisikawan dari Smithsonian Astrophysical Observatory di Cambridge Massachusetts dan Moscow
State University. Tapi, "seperti yang kita tahu, lubang
hitam supermasif telah eksis ketika alam semesta baru berusia kurang dari 1 miliar tahun.”
 |
| Ilustrasi lubang hitam supermasif paling primitif (titik hitam tengah) di inti galaksi muda kaya bintang. Kredit: NASA/JPL-Caltech |
Pertumbuhan Lubang Hitam yang Tak Bisa Diamati
Di awal sejarah alam semesta, benih lubang
hitam massa menengah bisa terbentuk dari keruntuhan awan gas raksasa padat
atau melalui ledakan supernova. Bintang-bintang generasi pertama kosmos yang mengalami supernova memiliki unsur hidrogen dan helium murni di lapisan
terluar dengan unsur-unsur logam (lebih berat daripada hidrogen dan helium)
terkonsentrasi di inti bintang. Inilah teori penciptaan lubang hitam yang jauh
lebih masif dibandingkan lubang hitam massa bintang melalui supernova bintang-bintang modern,
karena telah “tercemar” dengan unsur-unsur logam di lapisan terluar yang
mengakibatkan mereka kehilangan lebih banyak massa melalui angin bintang.
“Jika lubang hitam dengan 100 massa Matahari
terbentuk di awal alam semesta, beberapa di antaranya akan bergabung menjadi
satu, tetapi pada dasarnya seluruh massa harus dilibatkan dan beberapa
di antaranya seharusnya masih ada,” kata Tod Strohmayer, seorang astrofisikawan
dari Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA, Greenbelt, Maryland. “Jadi di
mana mereka, jika memang mereka terbentuk?”
Salah satu petunjuk tentang keberadaan lubang
hitam massa menengah berasal dari Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) milik National Science Foundation, kolaborasi
antara Caltech dan Massachusetts
Institute of Technology. Detektor LIGO, dikombinasikan dengan Virgo,
fasilitas detektor lainnya di Italia, mendeteksi banyak penggabungan lubang
hitam melalui gelombang gravitasi, atau riak-riak pada jalinan ruang dan waktu.
Pada tahun 2016, LIGO telah mengumumkan salah
satu penemuan lmiah terpenting sepanjang setengah abad terakhir, yaitu deteksi
gelombang gravitasi pertama. Secara khusus, detektor yang berbasis di
Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington, menerima sinyal dari fenomena penggabungan antara dua lubang hitam. Massa kedua lubang hitam ini
masing-masing 29 dan 36 kali massa Matahari. Meskipun secara teknis belum bisa
dianggap lubang hitam massa menengah, massa mereka cukup mengejutkan para ilmuwan.
Mungkin saja seluruh lubang hitam massa
menengah telah bergabung, tetapi bisa jadi kita belum memiliki teknologi yang
memadai untuk menemukannya.
 |
| Galaksi ESO 243-49 adalah induk bagi benda langit sangat terang yang diberi kode HLX-1. Dilingkari pada gambar ini, HLX-1 adalah sampel kandidat lubang hitam massa menengah yang telah ditemukan para ilmuwan. Kredit: NASA; ESA; dan S. Farrell, Institut Astronomi Sydney, Universitas Sydney |
Lalu, di Mana Mereka Bersembunyi?
Mencari lubang hitam massa menengah sangat
sulit, mengingat lubang hitam tidak memancarkan cahaya. Namun para ilmuwan
dapat melacak jejak mereka menggunakan teleskop dan instrumen canggih.
Misalnya, karena aliran material yang mengarah ke lubang hitam tak pernah
konstan, maka kumpulan material yang “dikonsumsi” lubang hitam menyebabkan
variasi tertentu terhadap output cahaya lingkungan kosmik di sekitarnya.
Perubahan output cahaya seperti itu dapat dilihat lebih cepat di lubang hitam
dengan massa yang lebih kecil daripada lubang hitam dengan massa yang lebih
besar.
“Ekspedisi pengamatan yang dilakukan terhadap
inti galaksi aktif membutuhkan waktu berbulan-bulan,” kata Chilingarian.
Kandidat kuat lubang hitam massa menengah
yang diberi kode HLX-1, memiliki massa sekitar 20.000 kali massa Matahari.
HLX-1 adalah singkatan dari “Hyper-Luminous
X-ray source 1” dan output energinya jauh lebih tinggi daripada bintang
mirip Matahari. HLX-1 ditemukan pada tahun 2009 oleh astronom dari Australia Sean Farrell menggunakan teleskop antariksa XMM-Newton X-ray ESA (Badan Antariksa Eropa). Satu studi yang
digelar pada tahun 2012 menggunakan Teleskop Antariksa Hubble dan Swift NASA, menemukan objek yang diduga sebuah gugus bintang biru berusia muda yang
mengorbit HLX-1.
Kandidat terkuat lubang hitam massa menengah
itu kemungkinan pernah menjadi pusat galaksi katai, sebelum dikanibal oleh
galaksi ESO 243-49 yang lebih besar. Banyak ilmuwan yang telah menganggap HLX-1
sebagai lubang hitam massa menengah, kata Harrison.
“Perilaku dan warna sinar-X yang dipancarkan,
identik dengan lubang hitam,” jelas Harrison. “Banyak ilmuwan, termasuk grup
saya, yang memiliki program studi untuk menemukan benda langit mirip HLX-1,
tetapi sejauh ini tidak ada yang konsisten. Tetapi, upaya perburuan terus
berlanjut.”
Benda langit kurang terang yang bisa menjadi
kandidat lubang hitam massa menengah disebut ULX atau ultraluminous X-ray source. Sebuah ULX yang diberi kode NGC 5408
X-1 dianggap sangat menarik oleh para ilmuwan yang memburu lubang hitam massa
menengah. Sayangnya, observatorium sinar-X NuSTAR dan Chandra NASA telah
mengungkap banyak objek ULX yang bukan lubang hitam, melainkan pulsar, atau
sisa-sisa bintang sangat padat yang berkerlip dengan ritme teratur mirip
mercusuar.
M82 X-1, sumber sinar-X paling terang di
galaksi Messier 82 adalah objek lain yang diketahui berkerlip pada rentang
waktu yang konsisten dengan lubang hitam massa menengah. Perubahan skala kecerahan
ini terkait dengan massa lubang hitam dan disebabkan oleh materi yang mengorbit
di dekat bagian dalam piringan akresi. Sebuah studi yang digelar tahun 2014
mempelajari variasi spesifik sinar-X dan memperkirakan massa M82 X-1 sekitar
400 massa Matahari. Para ilmuwan menganalisis arsip data yang dikumpulkan
satelit Rossi X-ray Timing Explorer
(RXTE) NASA untuk mempelajari variasi skala kecerahan sinar-X dan menghitung
massa lubang hitam.
Pada tahun 2018, Chilingarian bersama para kolega
meneliti sampel 10 kandidat lubang hitam massa menengah. Mereka menganalisis
kembali data optik dari Sloan Digital Sky
Survey dan mencocokkannya dengan data sinar-X dari Chandra dan XMM-Newton.
Kini, mereka tengah melakukan studi tindak lanjut menggunakan teleskop berbasis
darat di Chili dan Arizona.
Sedangkan Mar Mezcua dari Institute for Space Sciences Spanyol
yang memimpin studi secara terpisah pada tahun 2018, turut menggunakan data
Chandra dan menemukan 40 lubang hitam yang tumbuh di galaksi katai yang berpotensi berada dalam rentang massa menengah. Tapi Mezcua menduga lubang hitam tersebut
awalnya terbentuk dari keruntuhan awan raksasa dan bukan berasal dari ledakan
bintang.
 |
| Gambar wilayah pusat galaksi NGC1313 yang diambil oleh Very Large Telescope milik European Southern Observatory (ESO). Galaksi ini adalah induk sumber ultraluminous X-ray NCG1313X-1, yang oleh para astronom ditentukan sebagai kandidat lubang hitam massa menengah. NGC1313 membentang seluas 50.000 tahun cahaya dan terletak sekitar 14 juta tahun cahaya dari Bima Sakti di rasi selatan Reticulum. Kredit: ESO |
Langkah Berikutnya
Galaksi katai adalah tempat paling menarik
untuk dipelajari, karena secara teori sistem bintang yang ukurannya lebih kecil justru dapat menampung lubang hitam dengan massa yang jauh lebih rendah daripada
lubang hitam di galaksi raksasa.
Untuk tujuan yang sama, para ilmuwan juga
mencari di gugus bintang globular, konsentrasi padat bintang yang membentuk
struktur menyerupai bola dan terletak di pinggiran Bima Sakti dan galaksi-galaksi lain.
“Kemungkinan besar ada lubang hitam massa
menengah di galaksi semacam itu, tetapi jika tidak mengakresi materi, mungkin
sangat sulit untuk mengamatinya,” kata Strohmayer.
Para pemburu lubang hitam massa menengah
terus menanti peluncuran Teleskop Antariksa James Webb NASA, yang mumpuni untuk mengintip ke sejarah awal pembentukan galaksi. Webb akan membantu para astronom
untuk mengetahui apa yang tercipta lebih dulu, galaksi atau lubang hitam pusat,
dan proses penggabungan antar lubang hitam. Apabila dikombinasikan dengan observasi
sinar-X, data inframerah Webb akan mengidentifikasi beberapa kandidat lubang
hitam paling purba.
Instrumen baru lain yang akan diluncurkan
pada bulan Juli oleh Roscosmos (Badan Antariksa Rusia) adalah Spectrum X-Gamma, sebuah pesawat
antariksa yang akan memindai langit dalam sinar-X, dan dipersenjatai oleh lensa
yang dikembangkan bersama Pusat Penerbangan Antariksa Marshall NASA di Huntsville Alabama. Data gelombang gravitasi yang terus dikumpulkan oleh LIGO dan Virgo
juga akan membantu dalam upaya pencarian, tak ketinggalan pula misi Laser Interferometer Space Antenna
(LISA) ESA.
Armada instrumen dan teknologi baru di atas,
selain yang telah beroperasi saat ini, akan membantu para astronom dalam
menjelajahi kebun kosmik untuk mencari benih lubang hitam massa menengah.
Ditulis oleh: Elizabeth Landau, Markas Besar
NASA di Washington, www.nasa.gov, editor: Thalia Patrinos
Komentar
Posting Komentar