Gambar ini menunjukkan gambaran seorang artis dari kawasan dalam sebuah quasar yang dikuasakan oleh lubang hitam supermasif di tengahnya. Apabila cakera gas dan debu jatuh ke lubang hitam, suhu tinggi menghasilkan cahaya. Perbezaan cahaya ini dapat membantu ahli astronomi mengukur jisim lubang hitam.
(Imej: kolaborasi Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / SDSS)
Lubang hitam raksasa bersembunyi di pusat-pusat kebanyakan galaksi di alam semesta, dan sekarang, teknik baru membantu para saintis mengukur jisim beberapa lubang hitam yang paling besar di alam semesta, walaupun mereka berada di pusat-pusat yang sangat samar, jauh galaksi. Pendekatan baru secara dramatis dapat meningkatkan pemahaman para saintis tentang bagaimana raksasa ini terbentuk dan berkembang, dan bagaimana mereka mempengaruhi evolusi galaksi.
"Ini adalah pertama kalinya kita mengukur secara langsung massa untuk begitu banyak lubang hitam supermasif sejauh ini," kata Catherine Grier, rakan pasca doktoral di Penn State, dalam satu kenyataan dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier mengetuai sebuah projek untuk mengukur sejumlah besar lubang hitam supermasif yang menggunakan data SDSS. Dia melaporkan hasilnya pada hari Selasa (9 Januari) dalam pertemuan Persatuan Astronomi Amerika di National Harbour, Maryland.
"Pengukuran baru ini, dan pengukuran masa depan seperti itu, akan memberikan maklumat penting bagi orang yang mempelajari bagaimana galaksi tumbuh dan berkembang sepanjang masa kosmik," kata Grier. [Imej: Lubang Hitam Alam Semesta]
Lubang hitam pengukur besar-besaran
Berdasarkan pemerhatian galaksi selama beberapa dekad, para astronom kini berteori bahawa jantung hampir setiap galaksi besar mengandungi lubang hitam supermasif (SMBH). Binatang raksasa ini boleh berjuta-juta atau berbilion kali lebih besar daripada matahari Bumi. Lubang hitam tidak memancarkan atau memantulkan cahaya, jadi SMBH ini tidak dapat dilihat secara langsung. Tetapi ketika graviti SMBH menarik debu dan gas dari galaksi di sekitarnya, ia menghasilkan cakera berpusing bahan yang jatuh ke dalam lubang hitam. Bahan yang dipasang memanas dan mula memancarkan cahaya, menjadikan lubang hitam "kelihatan" (walaupun secara tidak langsung). Dalam beberapa kes, cahaya dari cakera ini menjadi lebih terang daripada semua bintang di galaksi; galaksi yang sangat terang ini kemudian disebut inti galaksi aktif (AGN). AGN yang paling terang disebut kuarsar, yang dapat dilihat oleh para astronom hingga ke seluruh alam semesta yang dapat dilihat; mereka menunjukkan adanya lubang hitam supermasif, menurut kenyataan itu.
Lubang hitam hanya mempunyai tiga sifat yang boleh diukur - jisim, putaran dan cas - jadi mengira jisim adalah bahagian besar untuk memahami lubang hitam individu. Di galaksi berdekatan, ahli astronomi dapat memerhatikan bagaimana kumpulan bintang dan gas bergerak di sekitar pusat galaksi dan menggunakan pergerakan tersebut untuk menyimpulkan jisim lubang hitam pusat. Tetapi galaksi yang jauh terletak begitu jauh sehingga teleskop tidak dapat menyelesaikan bintang dan awan bahan di sekitar lubang hitam, menurut kenyataan itu.
Teknik yang dikenali sebagai pemetaan gema telah memungkinkan para astronom mengukur jisim lubang hitam terpencil ini. Pertama, para penyelidik membandingkan kecerahan gas yang memancar di kawasan luar galaksi dengan kecerahan gas yang terdapat di kawasan dalam galaksi. (Kawasan dalaman ini, sangat dekat dengan lubang hitam, dikenali sebagai wilayah kontinum). Gas di kawasan kontinum mempengaruhi gas yang bergerak pantas semakin jauh. Namun, cahaya memerlukan masa untuk bergerak ke arah luar, atau berkumandang, menyebabkan kelewatan antara perubahan yang dilihat di kawasan dalam dan kesannya ke kawasan luar. Mengukur kelewatan menunjukkan sejauh mana cakera gas luar dari lubang hitam. Ditambah dengan kadar putarannya di sekitar galaksi, ini membolehkan para astronom mengukur jisim SMBH, kata Grier kepada Space.com dalam e-mel.
Tetapi prosesnya perlahan. Untuk memerhatikan kesan gema, galaksi individu mesti dikaji berulang-ulang selama beberapa bulan, sementara kuarsar yang jauh dapat memerlukan pemerhatian berulang selama beberapa tahun, kata para penyelidik dalam kenyataan itu. Selama 20 tahun yang lalu, para astronom berjaya menggunakan teknik gema hanya untuk sekitar 60 SMBH di galaksi berdekatan dan segelintir kuarsa yang jauh.
Sebagai sebahagian daripada Projek Pemetaan Gema SDSS, Grier dan rakan-rakannya telah mula memetakan SMBH lebih cepat daripada sebelumnya. Kunci untuk pemetaan lebih cepat ini berasal dari teleskop pandangan lebar khusus projek, yang terletak di Observatorium Apache Point di Sunspot, New Mexico, yang dapat mengumpulkan data mengenai banyak kuas pada masa yang sama, menurut Grier. Ia sedang melihat sepotong langit yang berisi sekitar 850 kuarsar.
Para penyelidik memerhatikan quasars dengan Teleskop Kanada-Perancis-Hawaii-Hawaii dan Teleskop Balai Cerap Steward di Arizona untuk menentukur ukuran mereka terhadap objek yang sangat samar. Secara keseluruhan, para penyelidik kini telah mengukur kelewatan waktu gema untuk 44 kuarsar, dan mereka menggunakan ukuran tersebut untuk mengira jisim lubang hitam antara 5 juta hingga 1,7 miliar kali jisim matahari Bumi, menurut pernyataan itu.
"Ini adalah langkah besar untuk sains quasar," kata Aaron Barth, seorang profesor astronomi di University of California, Irvine, yang tidak terlibat dalam penyelidikan pasukan, dalam pernyataan itu. "Mereka telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahawa pengukuran sukar ini dapat dilakukan dalam mod pengeluaran besar-besaran."
Pengukuran baru meningkatkan jumlah pengukuran massa galaksi SMBH sekitar dua pertiga. Oleh kerana banyak galaksi tersebut sangat jauh, pengukuran baru menunjukkan massa SMBH dari masa lalu, hingga ketika alam semesta baru berusia setengahnya.
Dengan terus mengamati 850 quasar dengan teleskop SDSS selama beberapa tahun, pasukan akan mengumpulkan data bertahun-tahun yang akan memungkinkan mereka mengukur massa quasars yang lebih lemah, yang kelewatan waktu yang lebih lama tidak dapat diukur dengan satu tahun data.
"Mendapatkan pemerhatian quasar selama bertahun-tahun sangat penting untuk mendapatkan pengukuran yang baik," kata Yue Shen, penolong profesor di University of Illinois dan penyelidik utama Projek Pemetaan Gema SDSS. "Semasa kami meneruskan projek kami untuk memantau semakin banyak quasar selama bertahun-tahun yang akan datang, kami akan dapat memahami dengan lebih baik bagaimana lubang hitam supermasif tumbuh dan berkembang."
Setelah fasa keempat SDSS berakhir pada tahun 2020, fasa kelima, SDSS-V, akan bermula. SDSS-V menampilkan program baru yang disebut Black Hole Mapper, di mana para penyelidik merancang untuk mengukur massa SMBH dalam lebih dari 1.000 kuarsar, dengan memerhatikan kuarsa yang lebih lemah dan lebih tua daripada projek pemetaan gema yang pernah dikendalikan.
"Pemetam Lubang Hitam akan membiarkan kita beralih ke era pemetaan lubang hitam supermasif pada skala industri yang benar," kata Niel Brandt, seorang profesor astronomi dan astrofizik di Penn State dan anggota lama SDSS, dalam kenyataan itu. "Kami akan belajar lebih banyak mengenai objek misteri ini daripada sebelumnya."
