Lubang Hitam 'Lapar Sudah Berpesta' 800 Juta Tahun setelah Big Bang
Luminositas yang meningkat ini memungkinkan para astronom menemukan lubang hitam yang memakan materi hanya 800 juta tahun setelah alam semesta dimulai.
Bahkan dengan semua yang telah dipelajari astrofisikawan, lubang hitam masih misterius. Kita tahu bahwa yang terbesar—lubang hitam supermasif (SMBH)—berada di pusat galaksi seperti Bima Sakti. Namun sejarah pembentukan, pertumbuhan, dan evolusi mereka masih diselimuti misteri kosmis.
Ahli astrofisika dapat menyimpulkan keberadaan monster-monster ini di jantung galaksi dengan efek tarikan gravitasinya yang besar terhadap bintang-bintang terdekat. Tetapi kesempatan yang lebih baik untuk mempelajarinya adalah saat mereka aktif makan. Lubang hitam yang aktif makan disebut inti galaksi aktif (AGN,) dan ketika AGN sangat bercahaya, itu disebut quasar. Saat materi berputar di sekitar piringan akresi mereka, ia memanas dan memancarkan sinar-x.
Para ilmuwan telah berjuang untuk menemukan quasar di alam semesta awal, tetapi ini merupakan tujuan penting dalam penelitian lubang hitam. Mereka perlu menemukannya untuk melacak perkembangan mereka dari waktu ke waktu. Salah satu batu sandungan dalam upaya mereka adalah periode waktu yang berkorelasi dengan pergeseran merah lebih besar dari z = 6, sekitar 12,716 miliar tahun lalu, atau sekitar satu miliar tahun setelah Big Bang.
Sekarang tim peneliti dari Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) telah menemukan quasar bercahaya sinar-x yang luar biasa pada pergeseran merah z = 6,56, hanya sekitar 800 juta tahun setelah Big Bang. Mereka mempresentasikan temuan mereka dalam makalah yang diterbitkan dalam jurnal Astronomi dan Astrofisika. Makalah mereka adalah “ Emisi sinar-X dari galaksi Seyfert 1 garis sempit yang bertambah dengan cepat pada z = 6,56. Penulis utamanya adalah Julien Wolf, Ph.D. siswa dalam astrofisika energi tinggi di MPE.
Sinar-x dari quasar ini, bernama J0921+0007, harus menempuh perjalanan jauh melalui ruang dan waktu untuk mencapai kita. Instrumen yang dicapai adalah instrumen x-ray eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) di observatorium luar angkasa Spektr-RG. eROSITA menemukan quasar tersebut dalam Final Equatorial-Depth Survey (FEDS.) Teleskop Antariksa Chandra juga melihatnya.
Survei itu penting karena, saat ini, ahli astrofisika hanya mengetahui 50 quasar dengan pergeseran merah z>5,7, ketika alam semesta berusia kurang dari satu miliar tahun. Dengan menemukan lebih banyak, para ilmuwan berharap untuk menempatkan batas bawah akresi lubang hitam jauh ke dalam Zaman Re-ionisasi, ketika bintang dan galaksi pertama terbentuk.
Quasar ini sangat menarik karena sangat terang dalam sinar-x. Tapi itu juga lubang hitam bermassa rendah dengan hanya 250 juta massa matahari. Sebagian besar galaksi pergeseran merah tinggi seperti ini menampung lubang hitam dengan massa antara satu hingga sepuluh miliar massa matahari. Agar yang satu ini dapat dideteksi, ia harus menghasilkan materi dengan kecepatan yang sangat tinggi dan ia harus tumbuh dengan cepat. Itulah satu-satunya penjelasan untuk kecerahannya dalam sinar-x.
“Kami tidak menyangka akan menemukan AGN bermassa rendah dalam survei mini pertama kami dengan eROSITA”, kata penulis utama Wolf, yang mencari lubang hitam supermasif terjauh dalam data eROSITA sebagai bagian dari Ph.D. “Ini adalah pendeteksian sinar-X kebetulan paling jauh hingga saat ini dan sifat-sifatnya agak tidak lazim untuk quasar pada pergeseran merah yang begitu tinggi: secara intrinsik redup dalam cahaya tampak tetapi sangat bercahaya dalam sinar-X.”
Quasar ini mirip dengan jenis galaksi yang disebut galaksi Seyfert-1 garis sempit. Mereka adalah jenis galaksi aktif di alam semesta lokal. Mereka terkait dengan SMBH dengan kurang dari 100 juta massa matahari yang menghasilkan materi dengan kecepatan tinggi. Mereka mungkin lebih muda dari rekan SMBH mereka yang bermassa lebih tinggi.
Apa artinya menemukan quasar ini di awal Semesta? Ini menyoroti tahap awal pembentukan lubang hitam.
Dibutuhkan konsentrasi massa yang luar biasa tinggi untuk membentuk lubang hitam. Di Alam Semesta modern, kerapatan tersebut hanya ditemukan di bintang. Tapi di Alam Semesta awal, sebelum begitu banyak ekspansi, ada kerapatan lain. Entah bagaimana, mereka mungkin telah runtuh menjadi lubang hitam, dan satu-satunya alasan seluruh Alam Semesta tidak runtuh menjadi satu adalah karena ekspansi menguasainya.
Memahami fluktuasi kerapatan di alam semesta awal yang memungkinkan terbentuknya lubang hitam adalah bagian dari ujung tombak dalam astrofisika dan kosmologi. Jadi, meskipun deteksi tunggal dari lubang hitam yang aktif makan dan berkembang pesat di Zaman Reionisasi ini tidak akan menjawab semua pertanyaan kita, ini adalah bagian dari teka-teki.
Bagaimana lubang hitam terbentuk di alam semesta awal hanyalah satu pertanyaan. Pertanyaan lain adalah bagaimana mereka tumbuh? Salah satu cara ahli astrofisika mencoba melacak pertumbuhan lubang hitam adalah dengan melacak akresi mereka melalui waktu kosmik melalui Fungsi Luminositas Sinar-X (XLF). XLF dikaitkan dengan akresi dan ada berbagai model yang menjelaskan asosiasi tersebut. Mendeteksi quasar kuno ini dalam sinar-x membantu membatasi XLF dan akan membantu ahli astrofisika mengklarifikasi model ini.
“Pada z = 6,56, J0921+0007 adalah AGN terpilih sinar-X paling jauh hingga saat ini dan oleh karena itu dapat digunakan untuk memaksakan batasan pada XLF z tinggi ,” penulis menunjukkan dalam makalah mereka.
Batas Eddington juga berperan dalam pekerjaan ini. Batas Eddington adalah luminositas maksimum yang dapat dicapai suatu objek ketika radiasi ke luar dan gravitasi ke dalam seimbang. Ahli astrofisika berpendapat bahwa lubang hitam paling awal di alam semesta dapat melampaui batas ini karena kondisinya tepat untuk pertambahan yang cepat. Untuk mengetahui lebih lanjut tentang lubang hitam super-Eddington ini dan kepadatan akresi lubang hitam secara keseluruhan di alam semesta awal, para peneliti perlu menemukan lebih banyak lagi.
“Untuk mengukur berapa banyak kerapatan akresi yang sebenarnya didorong oleh lubang hitam muda super-Eddington, diperlukan area survei yang lebih luas pada kedalaman ini untuk mendapatkan sampel yang lebih informatif. Ini akan dimungkinkan dalam eROSITA All-Sky Survey kumulatif,” tulis para penulis dalam kesimpulan mereka.
Lubang hitam kuno ini bukan satu-satunya bagian dari teka-teki yang ditemukan oleh eROSITA dan Survei Kedalaman Khatulistiwa Akhir. Survei telah menemukan lima lagi. Tim peneliti MPE akan mempresentasikan temuan tersebut dalam makalah mendatang. Berdasarkan semua pendeteksian ini, para ilmuwan berharap dapat menemukan ratusan lagi dengan survei.
Lubang hitam supermasif adalah objek dominan di alam semesta. Bagaimana mereka terbentuk, bagaimana mereka tumbuh begitu besar, dan bagaimana mereka bersimbiosis dengan pertumbuhan galaksi-galaksi besar adalah pertanyaan yang belum terjawab. Tetapi pekerjaan ini menunjukkan bahwa para peneliti membuat kemajuan.
