Luar angkasa: Bagaimana lubang hitam terbesar di alam semesta tercipta?
Sumber gambar, Getty Images
Ada beberapa lubang hitam besar di Semesta yang telah kita ketahui, ukurannya miliaran kali lebih besar dari Matahari. Namun hanya sedikit yang diketahui tentang bagaimana monster-monster ini berbentuk dan tumbuh begitu besar. Teleskop dan teknik terbaru memberi cara baru untuk menelitinya.
Terletak di tengah-tengah konstelasi bintang Delphinus yang berbentuk seperti lumba-lumba dan Pegasus si kuda terbang, sebuah pusaran layaknya kincir melayang-layang di ruang angkasa.
Selama miliaran tahun, lengan-lengan spiral milik galaksi UCG 11700 berputar dengan damai, tak terganggu oleh tabrakan dan penggabungan benda-benda di luar angkasa yang mengubah bentuk galaksi lain.
Galaksi spiral seperti UCG 11700 memang menyenangkan untuk dilihat, namun sesuatu yang mengerikan berdiam di pusat pusarannya.
Iklan
Di tengah-tengah roda kosmos yang cantik ini, berdiam salah satu objek paling misterius di alam semesta — sebuah lubang hitam supermasif (supermassive black hole).
Baca juga:
- Lubang hitam terdekat dengan Bumi ditemukan
- Sinyal kosmik peleburan dua lubang hitam mengguncang Bumi setelah 7 miliar tahun
- Lubang hitam untuk pertama kalinya berhasil ditangkap kamera
Ukuran lubang hitam yang standar biasanya berkisar mulai dari sekitar empat kali massa Matahari. Sementara, supermassive black hole, bisa jutaan, bahkan miliaran, kali lebih besar.
Para ilmuwan meyakini bahwa semua galaksi besar memiliki sebuah lubang hitam supermasif di inti galaksinya. Tapi tak seorang pun yang mengetahui, mengapa bisa begitu.
Di sinilah UCG 11700 terbukti sangat bermanfaat.
"Galaksi ideal untuk penelitian saya adalah galaksi spiral paling cantik, paling sempurna, yang bisa Anda bayangkan," kata Becky Smethurst, peneliti junior di Universitas Oxford yang mempelajari lubang hitam supermasif.
"Galaksi-galaksi tercantik dapat membantu kita memecahkan misteri bagaimana lubang hitam muncul."
Keterangan gambar,
Ilustrasi. Seorang pria memandang Galaksi Bima Sakti.
Bagaimana lubang hitam tercipta?
Mempelajari sesuatu yang, secara alami sangat padat sehingga cahaya pun tak dapat menghindarinya, sangat sulit.
Namun teknik terbaru yang mencari efek yang ditimbulkan oleh lubang hitam-lubang hitam tersebut pada objek-objek luar angkasa di sekitarnya, juga meneliti riak-riak yang mereka sebabkan dalam struktur ruang dan waktu, memberikan petunjuk baru.
Ada rahasia kecil tentang pembentukan dan pertumbuhan lubang hitam konvensional.
Bintang yang mati kehabisan energi, meledak dalam supernova, tertelan oleh dirinya sendiri, lalu menjadi sangat padat sampai-sampai cahaya sekalipun tak mampu melepaskan diri dari gravitasinya.
Gagasan tentang lubang hitam ini telah ada selama puluhan tahun dan diprediksi dalam Teori Relativitas Umum milik Albert Einstein.
Sumber gambar, Getty Images
Keterangan gambar,
Ilustrasi. Lubang hitam dengan batasan Event Horizon atau Cakrawala Peristiwa.
Dalam budaya pop, lubang hitam digambarkan gelap pekat dan selalu lapar. Mereka meluncur di Semesta sembari mengisap apa saja yang mereka lalui, dan tumbuh semakin besar karenanya.
Karena penggambaran ini, orang-orang berpikir lubang hitam supermasif adalah jenis yang paling tua dan paling lapar.
Dalam kenyataannya, lubang hitam tak semengerikan itu.
Mereka sesungguhnya tak terlalu efisien dalam mengakresi (jargon fisika untuk "mengisap") material di sekeliling mereka, bahkan di inti galaksi yang padat.
Faktanya, bintang yang hancur tumbuh menjadi besar dengan amat sangat lambat, mereka tidak mungkin bisa menjadi supermasif hanya dengan mengisap material-material baru.
"Anggap saja bintang-bintang yang pertama membentuk lubang hitam sekitar 200 juta tahun setelah Dentuman Besar," kata Smethurst.
Baca juga:
- Siapa Katie Bouman, ilmuwan muda di balik foto pertama lubang hitam
- Gambar paling tajam yang pernah dibuat tentang galaksi ruang angkasa
- Ilmuwan mendeteksi ledakan terbesar di alam semesta sejak 'Big Bang'
"Setelah mereka hancur, mereka butuh sekitar 13,5 miliar tahun untuk tumbuh menjadi lubang hitam dengan massa miliaran kali Matahari. Itu adalah waktu yang terlalu singkat untuk menjadi sebesar itu, jika hanya dengan akresi."
Yang lebih membingungkan lagi, lubang hitam supermasif sudah ada ketika Semesta masih sangat muda.
Kuasar-kuasar yang jauh, salah satu objek kosmos yang paling terang di angkasa, sebenarnya adalah lubang hitam supermasif yang sangat tua, yang membakar inti galaksi yang telah mati.
Beberapa kuasar raksasa telah ada setidaknya sejak Semesta berumur 670 juta tahun — waktu yang sama dengan terbentuknya sejumlah galaksi yang paling tua.
Meskipun pusat dari lubang hitam hingga kini tak diketahui, lubang hitam supermasif dapat bersinar lebih terang dari segalaksi bintang-bintang, dan bahkan bisa mengeluarkan "sendawa" berupa radiasi ultraviolet saat menelan materi di sekitar mereka.
Sumber gambar, Getty Images
Keterangan gambar,
Ilustrasi. Tabrakan antara kuasar dengan lubang hitam.
Lewati Podcast dan lanjutkan membaca Podcast
Investigasi: Skandal Adopsi
Investigasi untuk menyibak tabir adopsi ilegal dari Indonesia ke Belanda di masa lalu
Episode
Akhir dari Podcast
Lubang hitam memiliki batasan melengkung yang dinamai Cakrawala Kejadian (Event Horizon). Di dalam selingkung itu, cahaya, energi, dan materi terperangkap dan tak bisa melepaskan diri.
Ruang dan waktu punya aturan berbeda di sana, sehingga hukum fisika yang menjelaskan sebagian besar cara kerja Semesta tak berlaku di sana.
Namun, tepat di luar Cakrawala Peristiwa, lubang hitam yang berputar dapat menyabet materi di dekatnya menjadi cakram yang berputar dan memanas.
Cakram-cakram di dalam kuasar bisa mencapai suhu lebih tinggi dari 10 juta Celcius, membuat mereka mampu melepaskan cahaya yang sinarnya membutakan di seluruh spektrum elektromagnetik.
"Lubang hitam adalah mesin yang paling efektif, dan efisien, di Alam Semesta," ujar Marta Volonteri, peneliti lubang hitam di l'Institut d'Astrophysique de Paris.
"Mereka mengubah massa menjadi energi dengan efisiensi mencapai 40 persen. Jika Anda memikirkan apa saja yang kita bakar dengan karbon, atau energi kimia, atau bahkan apa yang terjadi pada bintang-bintang — itu setara dengan bagian yang sangat sangat kecil dari apa yang diproduksi oleh lubang hitam."
Upaya memecahkan misteri
Tapi lubang hitam supermasif menarik bagi para ilmuwan bukan hanya karena efisiensi energinya. Pembentukan dan evolusi mereka jelas berhubungan dengan perkembangan galaksi, dan pada akhirnya, seluruh sejarah dan struktur Semesta kita.
Memecahkan misteri raksasa kosmik ini melambangkan langkah signifikan dalam usaha para ilmuwan memahami mengapa segala sesuatunya seperti ini.
Pelepasan energi adalah satu dari sekian banyak cara lubang hitam membuka rahasianya. Ketika sebuah lubang hitam bergabung atau bertabrakan dengan objek yang kurang padat seperti bintang neutron, peristiwa tersebut menciptakan riak di ruang-waktu yang disebut gelombang gravitasi.
Gelombang ini kemudian bergerak di dalam kosmos dengan kecepatan cahaya dan pertama kali berhasil dideteksi dari Bumi pada 2015.
Sejak itu, observatorium besar seperti Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories (Ligo) di Amerika Serikat dan Fasilitas Virgo di dekat Pisa, Italia, telah mencatat gelombang-gelombang yang diakibatkan oleh tabrakan seperti ini.
Sumber gambar, Getty Images
Keterangan gambar,
Fasilitas Virgo dan fasilitas serupa lainnya mampu mendeteksi riak yang tercipta dalam ruang dan waktu oleh tabrakan lubang hitam dengan bintang.
Meskipun observatorium-observatorium ini menggunakan instrumen yang besarnya mencapai beberapa kilometer, mereka hanya mampu mendeteksi gelombang dari lubang hitam dengan ukuran sedang.
"Ligo bisa mendeteksi penggabungan hingga sekitar 150 massa matahari," kata Nadine Meumayer, yang memimpin kelompok penelitian Galactic Nuclei di Max Planck Institute for Astronomy.
"Lubang hitam berukuran sedang bisa jadi adalah 'benih' dari lubang hitam supermasif," kata dia.
Lubang hitam dengan massa sedang, ujarnya, boleh jadi terbentuk di tahap awal Semesta ketika awan gas raksasa hancur atau bintang-bintang bertabrakan.
Dalam lingkungan Semesta muda yang masih sempit, tabrakan satu sama lain di antara lubang hitam berukuran sedang, ditambah akresi dari materi-materi di sekitarnya, bisa mempercepat pertumbuhannya ke skala supermasif.
Keterangan video,Stephen Hawking: "Lubang hitam tidaklah sehitam yang Anda pikir"
Namun, ada masalah dalam teori ini. Semesta di masa awalnya juga sangat panas. Awan-awan gas pasti terkungkung dengan radiasi, yang memberi mereka energi terlalu besar untuk hancur. Dan dalam kosmos yang padat sekalipun, hukum fisika membatasi tingkat maksimal daya hisap lubang hitam.
Volonteri berujar, setiap penjelasan dan teori tentang lubang hitam yang ada saat ini memiliki "kelemahan dan permasalahan", yang membuat para ilmuwan tak punya jawaban pasti.
"Pada teori yang melibatkan 'proses dinamis', artinya lubang hitam terbentuk dari banyak bintang alih-alih satu, mungkin terjadi. Tapi proses ini harus terjadi dalam kondisi yang sangat spesifik," kata dia.
"Ada juga teori tentang 'lubang hitam primordial', yang mengatakan lubang hitam mungkin terbentuk dan membesar sebelum adanya bintang-bintang. Tapi ini adalah wilayah yang tak diketahui, karena kita tidak punya bukti observasi untuk teori ini."
Sumber gambar, NASA/JPL-Caltech
Keterangan gambar,
Terlepas dari namanya, lubang hitam supermasif sebenarnya bersinar sangat terang di jantung galaksi.
Oleh karena itu, dia meyakini bahwa kisah sebenarnya bagaimana lubang hitam terbentuk belum diceritakan.
"Semakin kita menggali, semakin kita temukan ada masalah dengan ide-ide yang sebelumnya kita pahami. Kita kehilangan sesuatu yang penting."
Peralatan observasi generasi sekarang mulai bisa mengisi kekosongan data ini. Namun para ilmuwan masih membutuhkan detektor yang lebih besar dari yang sudah ada sekarang.
Pada 2030-an, NASA dan Badan Luar Angkasa Eropa (ESA) akan meluncurkan Antena Laser Interferometer Luar Angkasa (LISA), yang terdiri dari tiga satelit terbang dalam formasi segitiga, dengan sisi sepanjang 2,5 juta kilometer.
Sebelumnya, sudah ada petunjuk bagaimana gelombang gravitasi yang diciptakan oleh lubang hitam menyapu kita.
Pada awal 2021, para astronom mengumumkan mereka telah mendeteksi perbedaan kecil dalam pulsa radiasi 45 pulsar — sekumpulan bintang yang melepaskan berkas cahaya secara berkala.
Meskipun belum dikonfirmasi, para peneliti menyiratkan bahwa ini mungkin terjadi karena 'latar belakang gravitasi' yang mungkin tercipta karena penggabungan lubang hitam supermasif.
Keterangan video,Pertama kalinya lubang hitam bisa difoto. Mencatat sejarah baru umat manusia.
Namun ada cara yang lebih langsung untuk mengamati lubang hitam. Teleskop Event Horizon baru-baru ini berhasil mengambil foto pertama lubang hitam.
Teleskop ini mengungkap lebih banyak tentang sifat mereka dan efek gravitasi dan magnet yang mereka sebabkan pada galaksi yang mereka huni.
Para ahli astrofisika juga dapat melacak pergerakan bintang dalam orbit di sekitar lubang hitam di inti galaksi, mengekstrapolasi informasi tentang objek masif yang berada di pusatnya.
"Ada korelasi yang erat, semakin banyak massa yang dimiliki sebuah galaksi, semakin besar pusat lubang hitam supermasifnya," kata Neumayer.
"Objek-objek ini berkembang secara bertahap."
Tabrakan antar galaksi
Tapi terlepas dari korelasi ini, tidak ada bukti jelas bahwa galaksi besar menciptakan lubang hitam besar, atau sebaliknya. Mereka berhubungan, tapi alasan dan sifat koneksi itu masih misteri.
Salah satu penjelasannya mungkin melibatkan tabrakan antar galaksi.
Sebagian besar dari galaksi di Alam Semesta bergerak menjauh satu sama lain, namun banyak tabrakan terjadi, menciptakan peluang bagi dua lubang hitam dengan pusat yang besar bergabung menjadi sesuatu yang lebih besar.
Beberapa ilmuwan percaya beginilah cara lubang hitam supermasif terbentuk.
Sumber gambar, NASA/ASC/ESA
Keterangan gambar,
Ketika Alam Semesta berkembang, tanda-tanda tabrakan masa lalu antar galaksi sangat umum terjadi
Ketika dua lubang hitam berukuran kecil bertabrakan, mereka melepaskan energi besar dalam hitungan detik, dan menghasilkan kilatan cahaya yang sangat terang — lebih terang dari benda-benda lain di luar angkasa.
Jika tabrakan itu antara dua lubang hitam supermasif, maka kita akan menyaksikan salah satu peristiwa paling dahsyat yang terjadi di langit malam.
Para ilmuwan mengatakan penggabungan seperti ini mungkin saja terjadi, walaupun sangat jarang, karena sejumlah aspek tentang dinamika lubang hitam.
Semesta kita dipenuhi dengan galaksi yang diperkirakan terbentuk melalui penggabungan, termasuk galaksi Bima Sakti kita.
Ketika dua galaksi bertabrakan, struktur awal mereka akan hancur, karena bintang-bintang, awan-awan gas, materi gelap, dan lubang hitam berinteraksi.
Baca juga:
- Gambar paling tajam yang pernah dibuat tentang galaksi ruang angkasa
- Ilmuwan mendeteksi ledakan terbesar di alam semesta sejak 'Big Bang'
- Para ilmuwan perlihatkan citra terbaru Jupiter, citra terjelas yang pernah diambil dari Bumi
Namun ini berarti, lubang hitam supermasif seperti UCG 11700 tak bisa dijelaskan dengan teori tabrakan. Struktur galaksi ini mengisyaratkan mereka belum pernah bertabrakan dengan galaksi lain.
"Saya memilih galaksi-galaksi yang sepanjang hidupnya menyendiri, dan letaknya sangat, sangat terisolasi di Semesta," ujar Becky Smethurst.
"Dalam galaksi seperti ini, kita dapat merasa yakin bahwa lubang hitam di tengahnya belum pernah berkembang karena penggabungan dengan materi-materi lain."
Maka, ini berarti, mereka pasti terbentuk dengan cara lain.
Sumber gambar, Getty Images
Keterangan gambar,
Supernova, ledakan bintang yang sudah mati, diperkirakan bisa menjadi awal mula terjadinya lubanghitam
Smethurst bekerja mundur untuk menentukan bagaimana ukuran awal lubang hitam supermasif ini, sebelum berkembang menjadi sebesar sekarang.
Model terbaiknya mengisyaratkan bahwa sebuah lubang hitam yang terbentuk di awal Semesta dengan 1.000 sampai 10.000 massa matahari mungkin ideal — angka ini sesuai dengan teori 'benih' Neumayer. Tapi lubang hitam sebesar itu tidak mungkin berasal dari bintang yang hancur.
'Masih banyak yang belum kita ketahui'
Para ahli astrofisika juga mengeksplorasi kemungkinan lubang hitam supermasif terbentuk langsung dari materi gelap, bahan misterius yang menyatukan galaksi-galaksi.
Tapi materi gelap, yang secara teoretis berinteraksi dengan gravitasi namun tak terlihat oleh cahaya dan elektromagnet, itu sendiri merupakan materi yang masih belum dimengerti.
Menggabungkan misteri lubang hitam dengan misteri materi gelap membuat perhitungan fisika semakin sulit.
"Masih banyak yang belum kita ketahui," ujar Smethurst.
"Saya rasa kita akan sangat arogan bila menyimpulkan satu-satunya cara lubang hitam terbentuk adalah dari supernova, karena kita belum tahu itu secara pasti.
Sumber gambar, Reuters/Nasa/JPL/Caltech
"Mungkin penjelasannya sama sekali berbeda, namun kita belum terpikir. Saya menanti Semesta memberi jawaban yang mengejutkan. Saya rasa itu akan menjadi hari baik untuk ilmu pengetahuan."
Instrumen pengamatan yang lebih canggih sedang dibangun. Musim gugur ini, NASA berencana meluncurkan Teleskop Luar Angkasa James Webb, yang ukuran dan kemampuan sensoriknya belum pernah ada di dunia, akan menjadi alat berharga untuk mempelajari lubang hitam supermasif.
Misi LISA, ketika diluncurkan nanti, juga akan memberi cara baru untuk melihat lubang hitam supermasif melalui gelombang gravitasinya.
Ilmuwan-ilmuwan lain membuat peta mendetail tentang lokasi, pergerakan, bentuk, dan ukuran jutaan galaksi, yang dapat digunakan untuk riset para peneliti dan fisikawan.
"Laju penelitian saat ini sangat fenomenal," ujar Smethurst.
Baca juga:
- Perjalanan waktu mestinya dimungkinkan, kata saintis
- Bisakah kita menghentikan waktu?
- Apakah 'bintang gelap' turut membentuk semesta?
"Kita memiliki riset sepanjang seratus tahun tentang lubang hitam. Tapi dibandingkan dengan 14 miliar tahun usia Alam Semesta, semua penelitian ini belum cukup untuk memecahkan misterinya.
"Ketika saya berhasil menjawab satu pertanyaan, jawabannya melahirkan lima pertanyaan lain. Dan itu tak masalah untuk saya," ujarnya kemudian.
Neumayer sependapat dengan Smethurst, bahwa penemuan paling menarik dari lubang hitam, kemungkinan akan berhubungan dengan pertanyaan yang belum pernah ditanyakan.
"Semua perkembangan teknis yang membuat segala penemuan ini mungkin terjadi di abad ini sangat menakjubkan," kata dia.
"Kita memiliki banyak permasalahan yang ingin kita pecahkan. Namun kita akan melihat hal-hal baru yang tidak pernah kita bayangkan. Dan saya rasa ini luar biasa."
Versi bahasa Inggris dari artikel ini, The mysterious origins of Universe's biggest black holes bisa Anda simak di laman BBC Future.