Apakah lubang hitam atau galaksi raksasa telah tiba?

“Mana yang lebih dulu, galaksi atau lubang hitamnya?”

Secara teknis, ini adalah teka-teki yang lebih kuno daripada ayam atau telur – meskipun kita baru menyadarinya baru-baru ini. Dan menurut penelitian baru, para ilmuwan akhirnya punya jawabannya.

Telah lama diyakini bahwa lubang hitam supermasif yang ada menjelang awal waktu membentuk galaksi di sekitarnya, mempercepat laju pembentukan bintang di galaksi dan dengan demikian mempengaruhi evolusi seluruh alam semesta. Namun sekarang, analisis ulang data dari James Webb Space Telescope (JWST) menunjukkan bahwa lubang hitam ini mungkin telah ada selama 50 juta tahun pertama alam semesta kita yang berusia 13,8 miliar tahun, sehingga memicu pembentukan bintang pada usia yang begitu dini.

Temuan ini dapat menantang gagasan bahwa hanya lubang hitam yang terbentuk setelah bintang dan galaksi pertama muncul.

Terkait: Apakah lubang hitam terjebak di dalam Matahari? Tidak, tapi inilah alasan para ilmuwan bertanya

“Kita tahu bahwa lubang hitam raksasa ini ada di pusat galaksi dekat Bima Sakti kita, namun kejutan besarnya sekarang adalah bahwa mereka juga hadir pada awal mula alam semesta dan hampir seperti bahan penyusun atau benih galaksi awal,” Joseph Silk, ketua tim dan profesor di Universitas Johns Hopkins, mengatakan dalam sebuah pernyataan. “Mereka benar-benar meningkatkan segalanya, seperti penguat raksasa pembentukan bintang, yang merupakan pembalikan total dari apa yang sebelumnya kita pikir mungkin terjadi – sedemikian rupa sehingga dapat mengguncang pemahaman kita tentang bagaimana galaksi terbentuk.”

Terkait: Para ilmuwan telah menemukan lubang hitam yang menghasilkan sumber gas molekuler di alam semesta kuno

Silk menunjukkan fakta bahwa galaksi jauh dan awal yang telah dilihat JWST sejak mulai mengirimkan data kembali ke Bumi pada musim panas 2022 ternyata lebih terang dari yang diperkirakan.

Hal ini menunjukkan bahwa galaksi sudah penuh dengan jumlah bintang dan lubang hitam supermasif dalam jumlah yang luar biasa banyaknya; jika benar, berarti teori pertumbuhan galaksi kita saat ini mungkin perlu direvisi.

“Kami berpendapat bahwa lubang hitam mengalir keluar dari awan gas yang hancur, mengubahnya menjadi bintang, dan mempercepat laju pembentukan bintang,” kata Silk. “Jika tidak, sangat sulit untuk memahami dari mana galaksi-galaksi terang ini berasal, karena mereka biasanya berukuran lebih kecil di alam semesta awal. Mengapa mereka bisa membentuk bintang begitu cepat?”

Saat ini, teori evolusi kosmik yang paling banyak diterima menyatakan bahwa lubang hitam di alam semesta awal lahir ketika bintang-bintang bermassa tinggi kehabisan bahan bakar untuk fusi nuklir. Pada gilirannya, bintang-bintang ini akan runtuh dan membentuk lubang hitam di masa-masa akhir alam semesta. Artinya, lubang hitam pasti muncul setelah pembentukan bintang-bintang yang melahirkannya, serta sebelum galaksi berkumpul pertama kali.

Namun, Silk dan rekannya menemukan bahwa lubang hitam dan galaksi tampaknya sudah ada sejak alam semesta purba, berinteraksi sejak 100 juta tahun setelah Big Bang. Silk mengatakan bahwa periode waktu ini hanya akan sama dengan hari-hari pertama bulan Januari jika sejarah alam semesta diringkas menjadi satu tahun kalender.

Hancurkan di alam semesta awal

Tarikan gravitasi yang sangat besar dari lubang hitam berarti tidak ada apapun (bahkan cahaya) yang dapat lolos dari batas luarnya, yang dikenal sebagai cakrawala peristiwa. Bagi kami, ini berarti segala sesuatu di luar batas ini tidak dapat dilihat secara langsung.

Namun di luar cakrawala peristiwa, banyak hal masih terjadi. Gravitasi lubang hitam masih cukup kuat untuk menciptakan kondisi yang kacau bagi materi di sekitarnya sehingga terlalu dekat dengan cakrawala peristiwa, memanaskannya, dan menyebabkan aliran air jernih. Materi ini dapat ditelan atau diarahkan ke kutub lubang hitam, dan kemudian ditembakkan dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya seperti jet atau angin.

Lubang hitam yang secara aktif memakan materi seperti ini dapat menghasilkan energi yang dikenal sebagai inti galaksi aktif (AGN), atau wilayah dalam galaksi yang mampu memancarkan cahaya lebih terang dari gabungan setiap bintang di galaksi itu sendiri.

Silk berpendapat bahwa fakta bahwa lubang hitam bertindak sebagai “akselerator partikel kosmik” itulah yang memungkinkan JWST mencatat begitu banyak hal di alam semesta awal.

“Kami tidak bisa melihat angin kencang atau jet ini dari jauh, tapi kami tahu pasti ada karena kami melihat banyak lubang hitam di luar angkasa,” jelas Silk. “Angin besar yang berasal dari lubang hitam menghancurkan awan gas di dekatnya dan mengubahnya menjadi bintang. Itulah mata rantai yang hilang yang menjelaskan mengapa galaksi-galaksi pertama ini jauh lebih terang dari yang kita perkirakan.”

Kesan seorang seniman terhadap inti galaksi aktif menunjukkan emisi terangnya, yang mungkin menjelaskan mengapa JWST melihat begitu banyak galaksi awal yang terang. (Kredit gambar: ESA/NASA, Proyek AVO dan Paolo Padovani)

Alam semesta melewati satu fase (atau dua)

Tim di balik penelitian ini berteori bahwa alam semesta awal memiliki dua fase berbeda. Pada tahap pertama, akan terjadi aliran keluar lubang hitam berkecepatan tinggi yang mempercepat kelahiran bintang. Fase kedua akan dimulai ketika arus keluar ini hilang.

Kemudian, ketika alam semesta berusia sekitar beberapa ratus juta tahun, awan gas raksasa terpaksa runtuh akibat badai magnet hebat yang disebabkan oleh lubang hitam supermasif. Hal ini akan memicu periode baru pembentukan bintang yang intens dan cepat, jauh melampaui laju kelahiran bintang di galaksi modern.

Pembentukan bintang kemudian akan terhambat karena lontaran besar-besaran dari lubang hitam supermasif akan memasuki kondisi hemat energi, sehingga memutus pasokan gas di galaksi tempat bintang dapat terbentuk.

“Kami mengira pada awalnya galaksi terbentuk ketika awan gas raksasa runtuh,” jelas Silk. “Kejutan terbesarnya adalah terdapat sebuah benih di tengah-tengah awan itu—sebuah lubang hitam besar—dan hal itu membantu dengan cepat mengubah bagian dalam awan itu menjadi bintang-bintang dengan kecepatan yang jauh lebih cepat dari yang kita perkirakan. Dan demikianlah galaksi-galaksi pertama sangat cemerlang.”

Tim tidak hanya berpikir bahwa data JWST di masa depan dapat memberikan penghitungan yang lebih akurat mengenai bintang-bintang awal dan lubang hitam supermasif untuk mengkonfirmasi teori baru tersebut, namun para ilmuwan juga percaya bahwa teleskop luar angkasa senilai $10 miliar dapat memberikan beberapa jawaban atas pertanyaan mendasar yang ditemukan di dekat bumi.

“Pertanyaan besarnya adalah, apa awal mula kita? Matahari adalah salah satu dari 100 miliar bintang di galaksi Bima Sakti, dan juga terdapat lubang hitam besar di pusatnya. Apa hubungan keduanya?” Sutra menyimpulkan. “Dalam setahun kami akan memiliki data yang jauh lebih baik dan banyak pertanyaan kami akan mulai terjawab.”

Penelitian tim ini dipublikasikan pada bulan Januari di Astrophysical Journal Letters.