Apakah Lubang Hitam Supermasif Runtuh Langsung dari Awan Gas Raksasa? Tergantung Medan Magnet
Para astronom menduga bahwa benih yang membentuk SMBH tercipta dari awan debu raksasa yang runtuh tanpa terlebih dahulu menjadi bintang – alias. Lubang Hitam Runtuh Langsung (DCBH). Namun, peran medan magnet dalam pembentukan DCBH masih belum jelas karena tidak ada penelitian sebelumnya yang mampu mensimulasikan periode akresi penuh. Untuk menyelidiki ini , tim astronom internasional menjalankan serangkaian simulasi 3D cosmological magneto-hydrodynamic (MHD) yang menyumbang pembentukan DCBH dan menunjukkan bahwa medan magnet tumbuh dengan disk akresi dan menstabilkannya dari waktu ke waktu.
Penelitian ini dipimpin oleh Muhammad A. Latif, asisten profesor fisika di College of Science di Uni Emirat Arab University (UEA). Dia bergabung dengan associate professor Dominik RG Schleicher dari Universidad de Concepcion di Chili dan Sadegh Khochfar – ketua pribadi Theoretical Astrophysics di University of Edinburgh dan Royal Observatory . Makalah yang menjelaskan temuan mereka baru -baru ini muncul secara online dan saat ini sedang ditinjau untuk dipublikasikan di The Astrophysical Journal .
Seperti yang mereka tunjukkan dalam makalah mereka, DCBH adalah benih lubang hitam bermassa tinggi (biasanya sekitar 1 juta massa matahari) yang ada di alam semesta awal – ca. berusia 100 hingga 250 juta tahun. Seperti namanya, DCBH terbentuk langsung dari awan besar debu dan gas (karena ketidakstabilan yang diprediksi oleh Teori Relativitas Umum Einstein). Ini membedakan mereka dari lubang hitam yang berasal dari Bintang Supermasif paling awal (SMS), juga dikenal sebagai bintang Populasi III . Seperti yang dikatakan Dr. Latif kepada Universe Today melalui email, ahli astrofisika telah lama menduga bahwa ini mungkin bagaimana SMBH terbentuk di alam semesta awal:
“DCBH sekitar dua kali lipat lebih masif (10^5 massa matahari) daripada lubang hitam dari skenario lain, seperti lubang hitam bermassa bintang (sekitar 100 massa matahari) atau lubang hitam yang terbentuk melalui tabrakan bintang (~1000 massa matahari). Ini membuat mereka menjadi kandidat utama, terutama untuk SMH pertama yang diamati dalam Gyr pertama setelah Big Bang.”
Keberadaan SMBH awalnya diusulkan untuk menjelaskan keberadaan SMBH primordial pergeseran merah tinggi yang ada dalam waktu 1 miliar tahun setelah Big Bang. Tetapi seperti yang dijelaskan Latif dan rekan-rekannya, ada ketidakkonsistenan antara apa yang diprediksi oleh para astrofisikawan secara teoritis dan apa yang telah diamati oleh para astronom. Secara khusus, ada peran yang dimainkan medan magnet dalam pertambahan material dengan awan debu purba, yang akhirnya mengakibatkan keruntuhan gravitasi dan pembentukan DCBH.
“Model standar fisika tidak memberikan batasan pada kekuatan medan magnet awal, dan beberapa model memprediksi medan B kecil dengan orde 10^-20 G,” kata Latif. “Mereka sekitar banyak urutan besarnya lebih kecil dari bidang yang diamati (sekitar 1G). Oleh karena itu, komunitas ilmiah berpikir bahwa peran mereka mungkin hanya sekunder.”
Misteri ini tetap ada karena upaya sebelumnya untuk mensimulasikan pembentukan DCBH secara numerik terbatas dalam cakupannya. Simulasi sebelumnya tidak memiliki daya komputasi untuk mensimulasikan proses akresi secara penuh, yang dianggap sebanding dengan masa pakai SMS yang diharapkan – 1,6 juta tahun. Berkat kemajuan superkomputer selama dekade terakhir, kelompok penelitian yang berbeda telah melakukan simulasi numerik dalam dekade terakhir yang menunjukkan bahwa medan magnet dapat diperkuat dalam waktu singkat.
Demikian pula, ada semakin banyak bukti bahwa medan magnet hadir sekitar 13 miliar tahun yang lalu ketika DCBH diperkirakan telah terbentuk. Untuk mengatasi misteri ini, Latif dan rekan-rekannya melakukan serangkaian model 3D cosmological magneto-hydrodynamic (MHD) yang berumur 1,6 juta tahun:
Kami memodelkan akresi ke pembentukan rumpun pusat dalam simulasi kami, yang merupakan proxy untuk protobintang. Kami mengembangkan simulasi sekitar 1,6 Myr, sebanding dengan masa pakai SMS yang diharapkan, dan menghitung berapa banyak massa yang terakumulasi ke dalam rumpun, yang memberi tahu kami tingkat pertambahan. Karya-karya sebelumnya mengembangkan simulasi hanya untuk waktu yang singkat hingga satu kyr (1000 tahun) yang jauh lebih pendek daripada masa pakai SMS (~2 juta tahun). Oleh karena itu, penting untuk mengetahui apakah akresi dapat dipertahankan cukup lama, yang kami tunjukkan bahwa itu mungkin.”
Temuan mereka konsisten dengan penelitian sebelumnya oleh Latif dan rekan-rekannya (dan kelompok lain) yang menunjukkan bagaimana medan magnet memainkan peran penting dalam pembentukan bintang masif dan lubang hitam. Studi-studi ini telah menunjukkan bagaimana medan magnet diperkuat (peningkatan massa Jean) dengan mengakresi cakram gas dan debu. Bidang-bidang ini bertanggung jawab untuk mengurangi fragmentasi dan menstabilkan cakram, yang pada akhirnya memungkinkan cakram ini mencapai massa yang diperlukan (alias massa Jean ) untuk mengalami keruntuhan gravitasi dan membentuk bintang supermasif dan lubang hitam.
“Medan magnet yang kuat seperti itu bahkan dapat meluncurkan jet dan arus keluar dan juga membantu dalam mengangkut momentum sudut, yang dianggap sebagai penghalang pembentukan bintang,” jelas Latif. “Oleh karena itu, mereka akan memiliki implikasi penting untuk magnetisasi media antarbintang dan antargalaksi (mirip dengan apa yang kita amati di alam semesta lokal) dan membentuk pembentukan galaksi pergeseran merah tinggi serta evolusi lubang hitam besar.”
Temuan ini juga melihat apa yang bisa diungkapkan oleh studi masa depan tentang medan magnet dan perannya dalam pembentukan dan evolusi galaksi awal. Dalam dekade mendatang dan setelahnya, para astronom diharapkan untuk mempelajari pancaran dan aliran keluar lubang hitam paling awal menggunakan observatorium radio yang kuat seperti Square Kilometer Array (SKA) dan Very Large Array (ng-VLA) generasi berikutnya – yang diharapkan dapat beroperasi pada tahun 2027 dan 2029 (masing-masing).
