30 Mei 2024

Bagaimana lubang hitam supermasif menjadi begitu besar begitu cepat tepat setelah Big Bang?

7 min read

Para ilmuwan sekarang memahami bahwa lubang hitam supermasif mengintai di jantung sebagian besar, jika tidak semua, galaksi. Raksasa kosmik ini memiliki massa jutaan bahkan milyaran kali matahari, namun ukuran yang luar biasa tidak menjadi masalah ketika lubang hitam supermasif terlihat di alam semesta lokal dan dengan demikian lebih baru dalam sejarah kosmik.

Lubang hitam supermasif menjadi masalah, namun ketika mereka terlihat di alam semesta awal, dan mereka sudah memiliki massa yang setara dengan miliaran matahari. Itu karena pasti ada beberapa mekanisme yang memungkinkan lubang hitam supermasif dengan cepat mengumpulkan massa dan tumbuh menjadi ukuran raksasa, namun semua mekanisme yang ada untuk pertumbuhan ini menunjukkan proses ini berlangsung terlalu lambat untuk objek seperti ini ada setelah Big Bang.

En parallèle : Rusia melancarkan serangan udara ke Kyiv, bagian lain Ukraina -militer Ukraina

“Selama dua dekade terakhir, para astronom telah menemukan lubang hitam supermasif dengan massa yang sama seperti di alam semesta lokal dan dengan demikian lebih baru – miliaran massa matahari – hampir 13 miliar tahun yang lalu, kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang,” Royal Rekan Peneliti Universitas Masyarakat di Universitas Maynooth John Reagan mengatakan kepada 45secondes.fr.

Regan menggambarkan masalahnya dengan analogi yang agak mengganggu. “Ini seperti melihat sebuah keluarga berjalan di jalan, dan mereka memiliki dua remaja setinggi enam kaki, tetapi mereka juga memiliki balita setinggi enam kaki. Itu sedikit masalah, bagaimana balita itu bisa begitu tinggi? Dan itu sama dengan lubang hitam supermasif di alam semesta. Bagaimana mereka menjadi begitu masif dengan begitu cepat?”

A lire aussi : Agen saraf, racun dan jendela jatuh. Selama bertahun-tahun, musuh Kremlin telah diserang atau dibunuh

Terkait: Apa itu cakrawala peristiwa lubang hitam (dan apa yang terjadi di sana)?

Masalah ini semakin rumit tahun ini ketika James Webb Space Telescope (JWST) menemukan lubang hitam supermasif paling jauh dan paling awal. Terletak di jantung galaksi CEERS 1019, lubang hitam ini memiliki massa 9 juta kali matahari, yang membuatnya relatif kecil untuk ukuran lubang hitam supermasif.

Namun, meski sebesar ini, keberadaannya hanya 570 juta tahun setelah Big Bang menantang teori pertumbuhan lubang hitam. Dan lubang hitam bermassa 9 juta matahari ini tidak sendirian. Kampanye pengamatan yang sama yang mengungkap lubang hitam supermasif ini, Survei Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), juga mengungkap dua lubang hitam supermasif lainnya yang ada 1 miliar tahun dan 1,1 miliar tahun setelah Big Bang.

“Dengan setiap penemuan baru, kendala pada ide-ide kami yang ada menjadi lebih kuat,” kata Shantanu Basu, profesor dari Canadian University of Western Ontario kepada 45secondes.fr. “Kami khawatir ketika lubang hitam supermasif terlihat 800 juta tahun setelah Big Bang. CEERS meningkatkan tantangannya secara luar biasa.”

Ini menunjukkan bahwa lubang hitam supermasif umum terjadi pada masa relatif awal alam semesta, bukan kelangkaan kosmik, sehingga memberi tekanan lebih besar pada pencarian mekanisme untuk menjelaskan bagaimana mereka sampai di sana.

Bagaimana lubang hitam mengontrol pola makan mereka sendiri?

Mendiskontokan lubang hitam primordial yang dihipotesiskan sebagai sisa setelah Big Bang tiga kategori utama lubang hitam adalah lubang hitam bermassa bintang, yang memiliki massa antara 5 dan 100 kali matahari, lubang hitam bermassa menengah dengan massa antara 100 dan 10.000 kali matahari, dan lubang hitam supermasif dengan massa yang disebutkan di atas.

Lubang hitam bermassa bintang terbentuk ketika bintang paling masif, dengan massa antara 30 hingga 130 massa matahari, kehabisan bahan bakar untuk fusi nuklir dan tidak dapat lagi menopang dirinya melawan gravitasinya sendiri. Saat lapisan terluar dari bintang-bintang ini terhempas dalam ledakan supernova besar, inti runtuh untuk menciptakan lubang hitam bermassa bintang–wilayah ruang dengan titik kepadatan tak terhingga yang disebut singularitas di pusatnya dan batas luar yang disebut horizon peristiwa di mana gaya gravitasi begitu besar bahkan cahaya pun tidak bisa menghindarinya.

Lubang hitam supermasif harus terbentuk dengan cara yang berbeda dari lubang hitam bermassa bintang, karena bintang tidak mungkin cukup besar untuk memiliki massa awal awal untuk menumpahkan massa saat ia berevolusi melalui peristiwa seperti supernova yang menyertai keruntuhan gravitasi bintang. bintang tetapi masih meninggalkan inti yang cukup masif untuk menjadi lubang hitam supermasif.

Selama bertahun-tahun para astronom percaya bahwa lubang hitam supermasif dapat memulai hidup mereka sebagai “lubang hitam benih” yang jauh lebih kecil. Tumbuh dengan terlebih dahulu memakan materi dan kemudian bergabung dengan lubang hitam lain ketika galaksi tempat mereka tinggal bertabrakan, sesuatu yang juga menyediakan lubang hitam supermasif pemula ini dengan gas dan debu untuk dimakan.

Pertumbuhan benih lubang hitam bermassa bintang dapat terjadi ketika benih kosmik ini menemukan diri mereka dikelilingi oleh sejumlah besar materi dan dengan rakus memakan materi ini untuk tumbuh dengan cepat menjadi lubang hitam supermasif.

Garis waktu alam semesta. Menemukan lubang hitam supermasif miliaran tahun setelah Big Bang diharapkan, tetapi menemukan mereka sekitar waktu bintang pertama terbentuk lebih mengejutkan. (Kredit gambar: ESA)

Namun, proses itu harus terhambat oleh sesuatu yang disebut batas Eddington. Luminositas atau kecerahan lubang hitam yang makan sebanding dengan laju pengumpulan massanya. Semakin cepat lubang hitam mengkonsumsi materi, semakin cepat ia tumbuh, dan semakin cepat ia tumbuh, semakin banyak radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh lingkungannya. Namun, jika radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari sekitar lubang hitam dalam bentuk jet cukup kuat, secara fisik akan mendorong material menjauh. Ini berarti semakin cepat lubang hitam “makan”, semakin besar kemungkinan pasokan makanannya terganggu dan terdorong, sehingga menghentikan pertumbuhan itu.

Batas Edington berarti bahwa lubang hitam membutuhkan miliaran tahun untuk mengakresi materi yang cukup untuk mencapai status lubang hitam supermasif. Regan adalah bagian dari tim peneliti yang menyelidiki sesuatu yang disebut “akresi super Eddington,” yang dapat menjelaskan pertumbuhan cepat lubang hitam supermasif di awal alam semesta. Ini tidak akan, jelasnya, menjadi sesuatu yang istimewa, hanya versi yang lebih cepat dari makan lubang hitam normal.

Hal ini akan menyebabkan “episode” pengumpanan yang cepat dengan material yang didorong oleh jet yang menghentikan pengumpanan dan dengan demikian memotong jet. Ini kemudian memungkinkan material untuk jatuh kembali ke lubang hitam, sehingga memicu pesta hiruk pikuk lainnya. Namun, Regan dan rekannya menganggap penjelasan ini tidak memuaskan.

“Jika Anda rata-rata siklus makan ini dari waktu ke waktu, sebenarnya kurang dari tingkat Eddington,” kata Regan. “Mungkin baik-baik saja untuk satu atau dua siklus, tetapi secara keseluruhan, seiring waktu, itu tidak bagus karena tidak bisa terus menerus. Jadi kami tidak menemukan bahwa ini bukan mekanisme yang bagus untuk benar-benar menjelaskan supermasif. pertumbuhan lubang hitam.”

Terkait: Bagaimana astronomi menggunakan spektrum elektromagnetik?

Bisakah lubang hitam mengambil jalan pintas ke status supermasif?

Kemungkinan lain yang dapat membantu menjelaskan pertumbuhan pesat lubang hitam supermasif adalah gagasan bahwa benih lubang hitam tempat mereka tumbuh berukuran sangat besar, menurut Regan.

“Kami memiliki benih ringan dan benih berat, sehingga lubang hitam supermasif dapat lahir pada 100 massa matahari dan tumbuh hingga menjadi lubang hitam supermasif, atau mereka dapat memulai 100.000 lebih besar dari matahari dan tumbuh dari sana,” kata Regan. “Jika mereka ingin tumbuh, lubang hitam kecil harus sangat beruntung dan berada di lingkungan padat di mana ada banyak sekali gas di sekitarnya. Tapi itu sangat tidak mungkin.

“Jauh, jauh, jauh lebih mungkin daripada lubang hitam kecil untuk berada di lingkungan tanpa gas. Jadi sangat tidak mungkin benih lubang hitam kecil itu bisa tumbuh.”

Benih lubang hitam masif masih harus masuk ke lingkungan padat ini, tapi setidaknya mereka akan memulai dari benih yang lebih kecil. Kembali ke analogi bayi setinggi enam kaki, Regan menjelaskan bahwa pertumbuhan anak ini bahkan lebih sulit dijelaskan jika ia lahir dengan panjang rata-rata bayi. Tapi, jika bayi ini lahir dan panjangnya sudah tiga kaki, transformasinya menjadi balita setinggi enam kaki tidak terlalu sulit untuk dijelaskan.

Sebuah ilustrasi menunjukkan lubang hitam supermasif yang sedang makan. Bagaimana contoh awal benda-benda ini menjadi begitu besar begitu cepat setelah Big Bang? (Kredit gambar: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

Masalah dalam menyelidiki hal ini adalah, tidak seperti balita, lubang hitam tidak memiliki karakteristik selain massa, momentum sudut (putaran), dan muatan listriknya. Para ilmuwan menyebutnya “teorema tanpa rambut,” dan itu berarti lubang hitam tampak sederhana dan tidak membawa informasi tentang sejarah atau evolusinya.

“Jika Anda menemukan lubang hitam di taman Anda, Anda tidak dapat mengetahuinya dengan melihatnya, tidak tahu apakah itu tiba di sana kemarin, satu menit yang lalu, atau satu miliar tahun yang lalu. Tidak ada sejarah, tidak ada sidik jari, ” dia melanjutkan. “Jadi ketika kita melihat lubang hitam hari ini atau 13 miliar tahun yang lalu, kita tidak tahu berapa umurnya, jadi kita tidak tahu berapa lama dia bisa tumbuh.”

Basu menambahkan bahwa mengamati proses makan yang menggembungkan lubang hitam di alam semesta awal belum mungkin dilakukan karena terjadi jauh dari kita, tetapi mendeteksi pemberian makan lubang hitam supermasif dapat dilakukan di masa depan. “Bintang supermasif hipotetis di alam semesta awal akan sangat terang, mungkin sepuluh miliar kali lebih terang dari matahari kita. Mungkin Teleskop Antariksa James Webb (JWST) atau Euclid dapat mendeteksi objek semacam itu jika mereka hadir hingga beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang.”

Terlepas dari masalah ini, Regan yakin bahwa dengan menyelidiki lubang hitam di alam semesta awal dan berpotensi menemukan benih yang berat, para ilmuwan akan segera dapat membangun gambaran pertumbuhan lubang hitam supermasif. Secara khusus, dia menunjuk pada peluncuran Antena Berbasis Antariksa Laser Interferometer (LISA)detektor gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa yang akan membantu para ilmuwan membatasi demografi lubang hitam di awal alam semesta dengan lebih baik.

“Saya pikir kami membuat banyak kemajuan dalam 10 tahun terakhir. Sangat besar. Dan kami juga akan terus membuat kemajuan besar-besaran selama dekade berikutnya,” kata Regan. penanganan yang sangat baik tentang jumlah penggabungan yang terjadi di alam semesta jauh yang melibatkan lubang hitam persis dengan kisaran massa yang kita butuhkan, dengan massa sekitar 100.000 kali matahari.

“Saya pikir sangat mungkin kami akan menyelesaikan masalah ini dalam 5 hingga 10 tahun ke depan.”

Sumber daya tambahan

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang survei perintis CEERS James Webb Space Telescope yang menemukan lubang hitam di awal alam semesta di sini: https://ceers.github.io/

Bibliografi

JA Regan., TP Downes., M. Volonteri., dkk, Akresi Super-Eddington dan Umpan Balik dari Lubang Hitam Benih Masif Pertama, [2018], [https://arxiv.org/abs/1811.04953]

Teleskop Webb Mendeteksi Lubang Hitam Supermasif Aktif Paling Jauh [2023], [https://news.utexas.edu/2023/07/06/webb-telescope-detects-most-distant-active-supermassive-black-hole/]

CH. Lin., KJ Chen., CY. Hwang., Pertumbuhan Pesat Lubang Hitam Supermasif Galaksi melalui Pertambahan Awan Molekul Raksasa selama Penggabungan Besar Galaksi Inangnya, [2023], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd841]

S. Batu., A. Das., Fungsi Massa Lubang Hitam Supermasif dalam Skenario Keruntuhan Langsung, [2019], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab2646]

45secondes est un nouveau média, n’hésitez pas à partager notre article sur les réseaux sociaux afin de nous donner un solide coup de pouce. ?