Dua Lubang Hitam Bertemu Secara Kebetulan, Terjadi Sesuatu yang Belum Pernah Terlihat Sebelumnya
Gelombang gravitasi ini menyandikan informasi tentang lubang hitam: massanya, bentuk spiral ke dalamnya satu sama lain, putarannya, dan orientasinya.
Dari sini, para ilmuwan memastikan bahwa sebagian besar tabrakan yang telah kita lihat terjadi antara lubang hitam dalam sistem biner. Dua lubang hitam dimulai sebagai biner dari bintang masif yang berubah menjadi lubang hitam bersama-sama, kemudian berputar dan bergabung.
Dari 90 atau lebih penggabungan yang terdeteksi sejauh ini, bagaimanapun, satu terlihat sangat aneh. Terdeteksi pada Mei 2019, GW19052 memancarkan riak ruang-waktu yang tiada duanya.
"Morfologi dan struktur mirip ledakannya sangat berbeda dari pengamatan sebelumnya," kata astrofisikawan Rossella Gamba dari University of Jena di Jerman.
Dia menambahkan, "GW190521 awalnya dianalisis sebagai penggabungan dua lubang hitam berat yang berotasi cepat yang saling mendekat di sepanjang orbit yang hampir melingkar, tetapi fitur khususnya membuat kami mengusulkan kemungkinan interpretasi lain."
Secara khusus, durasi sinyal gelombang gravitasi yang singkat dan tajam sulit untuk dijelaskan.
Gelombang gravitasi dihasilkan oleh penggabungan sebenarnya dari dua lubang hitam, seperti riak dari batu yang jatuh ke dalam kolam. Tapi mereka juga dihasilkan oleh inspirasi biner, dan interaksi gravitasi yang intens mengirimkan riak yang lebih lemah saat dua lubang hitam bergerak semakin dekat.
“Bentuk dan singkatnya – kurang dari sepersepuluh detik – sinyal yang terkait dengan peristiwa tersebut membuat kami berhipotesis tentang penggabungan seketika antara dua lubang hitam, yang terjadi tanpa adanya fase spiral,” jelas astronom Alessandro Nagar dari Lembaga Nasional Fisika Nuklir di Italia.
Ada lebih dari satu cara untuk berakhir dengan sepasang lubang hitam yang berinteraksi secara gravitasi.
Yang pertama adalah bahwa keduanya telah bersama untuk waktu yang lama, bahkan mungkin dari pembentukan bintang bayi dari awan molekul yang sama di luar angkasa.
Yang lainnya adalah ketika dua objek yang bergerak melalui ruang melewati satu sama lain cukup dekat untuk tersangkut secara gravitasi dalam apa yang dikenal sebagai pertemuan dinamis.
Inilah yang menurut Gamba dan rekan-rekannya mungkin terjadi dengan GW190521, jadi mereka merancang simulasi untuk menguji hipotesis mereka. Mereka menghancurkan sepasang lubang hitam, mengutak-atik parameter seperti lintasan, putaran, dan massa, untuk mencoba mereproduksi sinyal gelombang gravitasi aneh yang terdeteksi pada 2019.
Hasil mereka menunjukkan bahwa dua lubang hitam tidak dimulai dalam biner tetapi terjebak dalam jaring gravitasi satu sama lain, jatuh melewati satu sama lain dua kali pada lingkaran liar dan eksentrik sebelum membanting bersama untuk membentuk satu lubang hitam yang lebih besar. Dan tak satu pun dari lubang hitam dalam skenario ini yang berputar.
"Dengan mengembangkan model yang tepat menggunakan kombinasi metode analitik canggih dan simulasi numerik, kami menemukan bahwa penggabungan yang sangat eksentrik dalam kasus ini menjelaskan pengamatan lebih baik daripada hipotesis lain yang diajukan sebelumnya," kata astronom Matteo Breschi dari Universitas Jena.
"Kemungkinan kesalahan adalah 1:4.300!"
Skenario ini, kata tim, lebih mungkin terjadi di wilayah ruang yang padat penduduk, seperti gugus bintang, di mana interaksi gravitasi semacam itu lebih mungkin terjadi.
Ini melacak penemuan sebelumnya tentang GW190521. Salah satu lubang hitam dalam penggabungan itu berukuran sekitar 85 kali massa Matahari.
Menurut model kami saat ini, lubang hitam lebih dari 65 massa matahari tidak dapat terbentuk dari satu bintang; satu-satunya cara kita mengetahui lubang hitam bermassa itu dapat terbentuk adalah melalui penggabungan antara dua benda bermassa lebih rendah.
Karya Gamba dan rekan-rekannya menemukan bahwa massa kedua lubang hitam yang bertabrakan berada di sekitar 81 dan 52 massa matahari; itu sedikit lebih rendah dari perkiraan sebelumnya, tetapi salah satu lubang hitam masih berada di luar jalur pembentukan keruntuhan inti bintang tunggal.
Masih belum jelas apakah model kita perlu penyesuaian, tetapi penggabungan hierarkis – di mana struktur yang lebih besar terbentuk melalui penggabungan objek yang lebih kecil secara terus-menerus – lebih mungkin terjadi di lingkungan cluster dengan populasi objek padat yang besar.
Pertemuan dinamis antara lubang hitam dianggap cukup langka, dan data gelombang gravitasi yang dikumpulkan oleh LIGO dan Virgo hingga saat ini tampaknya mendukung hal ini. Namun, jarang bukan berarti tidak mungkin, dan pekerjaan baru menunjukkan bahwa GW190521 mungkin yang pertama kami deteksi.
Dan yang pertama berarti mungkin ada lebih banyak lagi di tahun-tahun mendatang. Observatorium gelombang gravitasi saat ini sedang ditingkatkan dan dipertahankan tetapi akan online lagi pada Maret 2023 untuk pengamatan baru. Kali ini, dua detektor LIGO di AS dan detektor Virgo di Italia akan digabungkan dengan KAGRA di Jepang untuk daya pengamatan yang lebih besar.
Lebih banyak deteksi seperti GW190521 akan luar biasa. Penelitian ini telah dipublikasikan di Nature Astronomy.
