Para astronom menemukan bukti pertama tentang benih lubang hitam yang berat di awal alam semesta

Para astronom mungkin telah menemukan bukti pertama “benih” lubang hitam berat di alam semesta awal.

A voir aussiKUTIPAN-Reaksi Jepang terhadap keluarnya air dari pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima

Benih yang disebut ini dapat membantu menjelaskan bagaimana beberapa lubang hitam supermasif dengan massa yang setara dengan jutaan, atau bahkan miliaran, kali matahari dapat tumbuh cukup cepat untuk eksis kurang dari 1 miliar tahun setelah Big Bang.

Secara potensial, biji lubang hitam yang berat adalah lubang hitam dengan massa sekitar 40 juta kali matahari kita. Mereka diyakini terbentuk dari keruntuhan langsung awan gas masif, tidak seperti lubang hitam tipikal Anda yang lahir saat bintang masif mencapai akhir hidupnya dan runtuh karena gravitasinya sendiri. Galaksi-galaksi yang diteorikan menampung benih-benih lubang hitam seberat itu disebut sebagai Galaksi Lubang Hitam Besar (Outsize Black Hole Galaxies (OBGs).

A lire égalementAkankah matahari menjadi lubang hitam?

Galaksi-galaksi ini kemungkinan besar sangat jauh, terlihat dengan teleskop kita seperti ketika alam semesta kita yang berusia 13,8 miliar tahun berusia sekitar 400 juta tahun. Dan sekarang, para ilmuwan mungkin akhirnya mengidentifikasi salah satu dari OBG ini.

Terkait: Gelombang gravitasi menunjukkan lubang hitam lebih memilih massa tertentu sebelum mereka bertabrakan

Tim yang dipimpin oleh peneliti Pusat Astrofisika Harvard & Smithsonian, Akos Bogdán, pertama kali mendeteksi objek dengan karakteristik massa lubang hitam saat menyelidiki quasar menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) dan Observatorium Sinar-X Chandra NASA. Didukung oleh lubang hitam supermasif, quasar adalah jantung galaksi yang sangat bercahaya dan aktif. Mereka bisa sangat terang, bahkan, mereka mengungguli cahaya gabungan dari setiap bintang di galaksi yang menampungnya.

Yang dipelajari oleh Bogdán dan rekan penelitinya tinggal di sebuah galaksi bernama UHZ1.

Dan ternyata, data dari JWST dan Chandra mengenai UHZ1 konsisten dengan apa yang diharapkan dari sebuah OBG. Tim menemukan emisi sinar-X dengan memasuki Chandra, dan emisi ini menunjukkan lubang hitam yang memberi makan atau “bertambah” yang terkait dengan quasar, yang sangat menarik dalam mengidentifikasi galaksi di sekitarnya sebagai OBG.

Para peneliti juga membandingkan pengamatan mereka dengan simulasi pertumbuhan cepat benih lubang hitam yang berat, menemukan bahwa ada kecocokan yang baik antara keduanya. Kesesuaian terbaik yang mereka temukan selama perbandingan ini adalah dengan benih 10.000 massa matahari yang tumbuh selama beberapa ratus juta tahun.

“Berdasarkan kesepakatan yang sangat baik antara sifat multi-panjang gelombang yang diamati dari UHZ1 dengan prediksi templat model teoretis, kami menyarankan bahwa UHZ1 adalah kandidat OBG pertama yang terdeteksi, tunduk pada konfirmasi spektroskopi pergeseran merahnya,” tulis para penulis dalam sebuah makalah yang menjelaskan penemuan tersebut. . “Oleh karena itu, sebagai kandidat OBG pertama, UHZ1 memberikan bukti kuat untuk membentuk benih awal yang berat dari keruntuhan langsung di awal alam semesta.”

Seberapa berat benih memberi lubang hitam dorongan pertumbuhan

Ukuran lubang hitam supermasif yang luar biasa tidak terlalu menyusahkan para ilmuwan. Itu karena titan kosmik ini memiliki miliaran tahun untuk tumbuh dengan memakan gas dan debu di sekitarnya serta bergabung dengan lubang hitam lainnya. Yang ada di jantung Bima Sakti, Sagitarius A* (Sgr A*), misalnya, memiliki cukup waktu untuk tumbuh hingga sekitar 4,5 juta kali massa matahari. Lubang hitam di jantung galaksi bernama M87 berhasil menjadi lebih besar, dengan massa sekitar 5 miliar kali massa bintang kita.

Tetapi karena mekanisme pertumbuhan ini diperkirakan berlangsung selama miliaran tahun, penemuan lubang hitam supermasif serupa yang ada antara hanya 500 juta tahun hingga satu miliar tahun setelah Big Bang menjadi tantangan tersendiri. Metode pengumpulan massa tersebut tidak akan memiliki waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan lubang hitam yang sangat besar. Namun, itulah yang ditemukan oleh para astronom yang mempelajari alam semesta awal dengan JWST dan instrumen lainnya.

“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 menjadi begitu tinggi?” John Reagan, seorang peneliti di Universitas Maynooth, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan kepada 45secondes.fr. “Dan itu sama dengan lubang hitam supermasif di alam semesta. Bagaimana mereka menjadi begitu masif dengan begitu cepat?”

Salah satu teorinya adalah bahwa lubang hitam ini memulai proses akresi massanya dengan tumbuh dari “benih” lubang hitam yang lebih kecil.

Ada dua garis pemikiran yang dominan dalam hal ini. Di satu sisi, para ahli berpendapat bahwa lubang hitam supermasif dapat tumbuh dari biji lubang hitam ringan dengan massa sekitar 10 hingga 100 kali massa matahari. Benih-benih cahaya itu secara teoritis akan lahir melalui mekanisme standar penciptaan lubang hitam bermassa bintang, yaitu kematian dan keruntuhan bintang generasi pertama alam semesta.

Di sisi lain, lubang hitam supermasif awal bisa tumbuh dari lubang hitam benih yang berat dengan massa besar sekitar 100.000 kali massa matahari. Ini akan terbentuk langsung dari runtuhnya awan besar materi, sehingga melewatkan “tahap bintang” dari lubang hitam lainnya seluruhnya. Para astronom menyebut lubang hitam tersebut sebagai lubang hitam keruntuhan langsung (DCBH).

DCBH ini kemudian dapat tumbuh bersamaan dengan penggabungan galaksi, yang biasa terjadi di alam semesta awal, yang juga akan membawa pasokan gas dan debu untuk pesta rongga ini. Kemudian pada akhirnya, lubang hitam lain mungkin bertabrakan dan bergabung dengannya.

Regan membandingkannya dengan balita setinggi enam kaki yang lahir dengan panjang tiga kaki. Ini masih agak membingungkan (dan mungkin sedikit mengganggu), tetapi lebih baik menjelaskan bagaimana balita mencapai ukuran orang dewasa dengan begitu cepat, setidaknya lebih mudah daripada jika balita memulai dengan panjang rata-rata bayi.

Benih lubang hitam lain yang lebih kecil diperkirakan tidak akan memunculkan OBG, sehingga identifikasi UHZ1 sebagai galaksi semacam itu mendukung keberadaan benih lubang hitam yang berat dan memberikan kredibilitas pada peran mereka dalam pertumbuhan awal lubang hitam supermasif.

Namun, para penulis sendiri menunjukkan keterbatasan penelitian mereka, dan mendesak kehati-hatian dengan mengekstrapolasi bahwa pertumbuhan lubang hitam di dalam UHZ1 mencapai status supermasif. Mereka juga berempati bahwa kemungkinan pertumbuhan seperti itu akan sangat bergantung pada lingkungan tempat benih potensial berada, dengan sejumlah besar gas dan debu yang diperlukan untuk mendukung pertumbuhannya.

Masih ada lebih banyak penyelidikan yang harus dilakukan sebelum populasi lubang hitam benih yang berat dapat dikonfirmasi dan hubungannya dengan lubang hitam supermasif di alam semesta bayi dapat ditetapkan, tetapi temuan ini setidaknya mewakili langkah ke arah yang benar. .

“Saat JWST mendeteksi lebih banyak [distant and early] menambah lubang hitam dalam siklus yang akan datang, kami berencana untuk menganalisis sumber-sumber itu, menyelidiki kemungkinan rekan sinar-X dengan Chandra, dan mengembangkan pemahaman yang lebih dalam tentang OBG dan fisika penyemaian berat,” tim menyimpulkan.

Deteksi ini memberikan lebih banyak bukti untuk skenario benih yang berat, kata Regan kepada 45secondes.fr. “Diambil bersama dengan massa lubang hitam JWST lainnya yang telah diamati, saya akan mengatakan bahwa bobot bukti sekarang menunjuk kuat ke arah skenario bibit berat untuk pertumbuhan lubang hitam supermasif.”

Penelitian tim telah diserahkan ke Astrophysical Journal Letters dan saat ini diterbitkan di repositori kertas arXiv.