Tantangan lubang hitam supermasif

Sebuah tim astronom yang menggunakan JWST menemukan lubang hitam supermasif berwarna merah yang tidak biasa dari alam semesta awal dengan pelensaan gravitasi, menunjukkan bahwa lubang hitam tersebut secara signifikan lebih besar dibandingkan dengan galaksi induknya dibandingkan dengan contoh yang diamati sebelumnya. Temuan ini menantang pemahaman kita tentang hubungan antara lubang hitam dan galaksi di awal alam semesta. Kredit: SciTechDaily.com

Gambar JWST mengungkap lubang hitam supermasif di alam semesta awal, luar biasa karena ukurannya yang sangat besar dibandingkan galaksi induknya dan diselimuti debu tebal.

Sekelompok astronom yang dipimpin oleh Dr. Lukas Furtak dan Profesor Adi Zitrin dari Universitas Ben-Gurion di Negev, menganalisis gambar dari James Webb Space Telescope (JWST), menemukan lubang hitam supermasif yang sangat merah dengan pelensaan gravitasi di alam semesta awal. . Warnanya menunjukkan bahwa lubang hitam terletak di balik tabir debu tebal yang mengaburkan sebagian besar cahayanya. Tim mampu mengukur massa lubang hitam dan menemukan bahwa lubang hitam tersebut jauh lebih masif dibandingkan galaksi induknya dibandingkan dengan yang diamati pada contoh lokal. Temuan itu dipublikasikan termasuk Alam Dua minggu yang lalu.

JWST: Mengungkap Misteri Alam Semesta Awal

Diluncurkan dua tahun lalu, JWST merevolusi pandangan kita tentang pembentukan galaksi awal. Hal ini menyebabkan terdeteksinya galaksi-galaksi awal dengan kelimpahan dan kecerahan yang lebih besar dari perkiraan sebelumnya, dan mengungkap beberapa jenis objek baru.

Penemuan mirip quasar

Sebuah tim astronom mendeteksi objek yang tampak seperti lenticular, mirip quasar dari alam semesta awal dalam gambar JWST. Quasar adalah inti galaksi aktif yang terang: lubang hitam supermasif di pusat galaksi yang secara aktif mengumpulkan materi.

Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah observatorium sains luar angkasa besar lainnya, yang dirancang untuk menjawab pertanyaan luar biasa tentang alam semesta dan membuat penemuan terobosan di semua bidang astronomi. Kredit: Northrup Grumman

Kekuatan pelensaan gravitasi

Akresi material ke dalam lubang hitam memancarkan radiasi dalam jumlah besar yang melebihi galaksi induknya, sehingga menghasilkan penampakan seperti bintang yang kompak dan terang. Gambar JWST di mana Furtak dan Zitrin mengidentifikasi objek tersebut diambil untuk program UNCOVER (PI: Ivo Labbé dari Universitas Teknologi Swinburne dan Rachel Bezanson dari Universitas Pittsburgh), yang mencitrakan bidang gugus galaksi, Abell. 2744, hingga kedalaman yang belum pernah terjadi sebelumnya. Karena gugus tersebut mengandung sejumlah besar materi, ia membengkokkan ruang-waktu—atau jalur sinar cahaya yang bergerak di dekatnya—sehingga secara efektif menciptakan lensa gravitasi. Pelensaan gravitasi memperbesar galaksi-galaksi di belakangnya, sehingga memungkinkan para astronom mengamati galaksi-galaksi yang lebih jauh dari yang mungkin dilakukan.

Fenomena Titik Merah

“Kami sangat gembira ketika JWST mulai mengirimkan data pertamanya. Kami memindai data yang diterima untuk program UNCOVER, dan tiga objek sangat kompak namun berbunga merah terlihat menonjol dan menarik perhatian kami,” kata Dr. Lukas Furtak, peneliti pascadoktoral di BGU dan penulis utama makalah penemuan. Penampakan ‘titik merah’ mereka langsung membuat kami curiga bahwa itu adalah objek mirip quasar.

Memecahkan Misteri

Furtak dan kelompok UNCOVER mulai menyelidiki objek tersebut. “Kami menggunakan model pelensaan numerik yang kami buat untuk gugus galaksi guna menentukan bahwa tiga titik merah tersebut pasti merupakan beberapa gambar dari sumber latar belakang yang sama dengan yang kami lihat ketika alam semesta baru berusia 700 juta tahun,” kata Profesor Zitrin. , seorang astronom dari BGU dan salah satu penulis utama artikel penemuan.

Terobosan super masif

“Analisis warna objek menunjukkan bahwa itu bukanlah galaksi pembentuk bintang pada umumnya.” Hal ini semakin mendukung hipotesis lubang hitam supermasif,” kata Profesor Rachel Bezanson dari Universitas Pittsburgh dan salah satu direktur program UNCOVER. “Bersama dengan ukurannya yang kompak, hal ini terbukti kemungkinan merupakan lubang hitam supermasif, meskipun masih berbeda dari quasar lain yang ditemukan pada masa-masa awal,” tambah Profesor Bezanson. Penemuan benda unik berwarna merah dan kompak ini dipublikasikan tahun lalu termasuk Jurnal Astrofisika. Tapi itu hanyalah awal dari cerita.

Pandangan spektral dan kejutan

Tim kemudian memperoleh data JWST/NIRSpec dari tiga gambar “titik merah” dan menganalisis datanya. “Spektrumnya benar-benar menakjubkan,” kata Prof. Ivo Labbé dari Swinburne University of Technology dan salah satu pemimpin program UNCOVER, “Dengan menggabungkan sinyal dari tiga gambar bersama dengan perbesaran lensa, spektrum yang dihasilkan akan setara. pengamatan JWST hingga ~1700 jam terhadap objek tanpa lensa, menjadikannya spektrum terdalam yang pernah diperoleh JWST untuk objek tunggal di alam semesta awal,” kata Prof. Labbe.

“Dengan menggunakan spektrum tersebut, kami tidak hanya dapat memastikan bahwa objek padat berwarna merah tersebut adalah lubang hitam supermasif dan mengukur pergeseran merahnya secara tepat, namun juga memperoleh perkiraan pasti massanya berdasarkan lebar garis emisinya,” kata penulis utama Dr. . Furtak. “Gas mengorbit di medan gravitasi lubang hitam dan mencapai kecepatan sangat tinggi yang tidak terlihat di bagian lain galaksi. Karena pergeseran Doppler, cahaya yang dipancarkan oleh material yang bertambah mengalami pergeseran merah di satu sisi dan pergeseran biru di sisi lain tergantung pada kecepatannya. Hal ini menyebabkan garis emisi dalam spektrum melebar.”

Galaksi yang dibayangi

Namun, pengukuran tersebut menimbulkan kejutan lain, yang dipublikasikan di Alam dua minggu lalu: massa lubang hitam tampaknya terlalu besar dibandingkan massa galaksi induknya.

“Semua cahaya di galaksi ini harus masuk ke dalam area kecil seukuran gugus bintang saat ini.” Pelensaan gravitasi sumber telah memberi kita batas magnitudo yang sangat baik. Sekalipun semua kemungkinan bintang berdesakan di area sekecil itu, lubang hitam akan menyumbang setidaknya 1% dari total massa sistem,” kata Profesor Jenny Greene dari Universitas Princeton dan salah satu penulis utama studi terbaru ini. . Faktanya, beberapa lubang hitam supermasif lainnya di alam semesta awal kini ditemukan menunjukkan perilaku serupa, yang mengarah pada beberapa wawasan menarik tentang pertumbuhan lubang hitam dan galaksi induknya serta interaksi di antara keduanya, yang belum dipahami dengan baik. “

Dilema ayam-dan-telur kosmik

Para astronom tidak mengetahui apakah lubang hitam supermasif tersebut tumbuh dari sisa-sisa bintang, misalnya, atau mungkin dari material yang langsung runtuh menjadi lubang hitam di awal alam semesta.

“Di satu sisi, ini setara dengan masalah astrofisika ayam dan telur,” kata Prof. jeruk nipis. “Saat ini kita tidak tahu mana yang lebih dulu – galaksi atau lubang hitam, seberapa besar lubang hitam pertama dan bagaimana mereka berkembang.”

Pengamatan masa depan dari JWST

Karena masih banyak lagi “titik merah kecil” dan inti galaksi aktif lainnya yang baru-baru ini terdeteksi oleh JWST, semoga kita akan segera mendapatkan gambaran yang lebih baik.

Referensi: “Rasio massa lubang hitam terhadap inang yang tinggi dalam AGN lentikular di alam semesta awal” oleh Lukas J. Furtak, Ivo Labbé, Adi Zitrin, Jenny E. Greene, Pratika Dayal, Iryna Chemerynska, Vasily Kokorev, Tim B. Miller, Andy D Goulding, Anna de Graaff, Rachel Bezanson, Gabriel B. Brammer, Sam E. Cutler, Joel Leja, Richard Pan, Sedona H. Price, Bingjie Wang, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker, Hakim Atek, Ákos Bogdán, Stéphane Charlot, Emma Curtis-Lake, Pieter van Dokkum, Ryan Endsley, Robert Feldmann, Yoshinobu Fudamoto, Seiji Fujimoto, Karl Glazebrook, Stéphanie Juneau, Danilo Marchesini, Micheal V. Maseda, Erica Nelsones, Pascal O. Plat, David J. Setton, Daniel P. Stark dan Christina C. Williams, 14 Februari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07184-8