Ahli astronomi telah menemui beberapa lubang hitam supermasif yang sangat tua, yang terbentuk ketika Alam Semesta masih muda. Tetapi mereka bingung bagaimana lubang hitam dapat tumbuh dengan ukuran yang begitu luar biasa ketika Alam Semesta itu sendiri hanyalah balita.
Ahli astronomi kini telah menemui satu set syarat unik yang wujud setengah bilion tahun selepas Big Bang yang memungkinkan lubang hitam raksasa ini terbentuk. Sumber radiasi intens yang luar biasa mencipta apa yang disebut "lubang hitam runtuh langsung."
"Ini adalah keajaiban kosmik," kata Volker Bromm dari University of Texas di Austin, yang bekerja dengan beberapa ahli astronomi dalam penemuan itu. "Ini adalah satu-satunya masa dalam sejarah alam semesta ketika keadaan sesuai untuk mereka terbentuk."
Pemahaman konvensional tentang bagaimana bentuk lubang hitam disebut teori penambahan, di mana bintang yang sangat besar runtuh dan "biji" lubang hitam dibina dari runtuhan dengan menarik gas dari persekitarannya dan oleh penggabungan lubang hitam yang lebih kecil. Tetapi proses itu memerlukan masa yang lama, jauh lebih lama daripada masa berlakunya lubang hitam yang terbentuk dengan cepat. Selain itu, alam semesta awal tidak mempunyai kuantiti gas dan habuk yang diperlukan agar lubang hitam supermasif dapat tumbuh dengan ukuran besar.
Penemuan baru menunjukkan bahawa beberapa lubang hitam pertama terbentuk secara langsung ketika awan gas runtuh, melewati fasa perantaraan lain, seperti pembentukan dan pemusnahan bintang besar berikutnya.
Sudah tentu, seperti lubang hitam mana pun, lubang hitam "runtuh langsung" ini tidak dapat dilihat. Tetapi ada bukti kuat untuk keberadaan mereka, karena mereka diperlukan untuk menguatkan kuasar yang sangat terang yang dikesan di alam semesta muda. Kecerahan hebat quasar berasal dari jirim yang masuk ke dalam lubang hitam supermasif, memanaskan hingga berjuta-juta darjah, mencipta jet yang bersinar seperti suar di seluruh Alam Semesta. Tetapi kerana teori penambahan tidak menjelaskan lubang hitam supermasif di alam semesta yang sangat jauh - dan oleh itu muda -, ahli astronomi juga tidak dapat menjelaskan quasar. Ini telah disebut "masalah benih quasar."
"Quasar yang diperhatikan di alam semesta awal menyerupai bayi raksasa di ruang bersalin yang penuh dengan bayi normal," kata Avi Loeb dari Pusat Astrofizik Harvard-Smithsonian, yang bekerja dengan Bromm. “Seseorang tertanya-tanya: apa yang istimewa tentang persekitaran yang memelihara bayi gergasi ini? Biasanya takungan gas sejuk di galaksi berdekatan seperti Bima Sakti banyak dimakan oleh pembentukan bintang. "
Tetapi pada tahun 2003, Bromm dan Loeb mengemukakan idea teoritis untuk mendapatkan galaksi awal untuk membentuk lubang hitam benih supermasif, dengan menekan input tenaga yang sebaliknya melarang pembentukan bintang. Mereka menyebut proses itu "runtuh langsung."
"Mulailah dengan" awan primer hidrogen dan helium, terserap di lautan radiasi ultraviolet, "kata Bromm. "Anda mengeruhkan awan ini di medan graviti lingkaran cahaya gelap. Biasanya, awan akan dapat menyejuk, dan berpecah untuk membentuk bintang. Walau bagaimanapun, foton ultraviolet menjaga gas tetap panas, sehingga menekan pembentukan bintang. Ini adalah keadaan yang diinginkan dan hampir ajaib: runtuh tanpa pecahan! Oleh kerana gas semakin padat, akhirnya anda mempunyai syarat untuk lubang hitam besar. "
Keadaan kosmik ini sepertinya hanya ada di alam semesta yang sangat awal, dan proses ini tidak berlaku di galaksi hari ini.
Untuk menguji teori mereka, Bromm, Loeb dan rakannya Aaron Smith mula mempelajari galaksi bernama CR7, yang dikenal pasti oleh tinjauan Hubble Space Telescope yang disebut COSMOS sebagai sekitar kurang dari 1 miliar tahun setelah Big Bang.
David Sobral dari University of Lisbon telah membuat pemerhatian susulan CR7 dengan beberapa teleskop darat terbesar di dunia, termasuk Keck dan VLT. Ini menemui beberapa ciri yang sangat luar biasa dalam tanda cahaya yang datang dari CR7. Secara khusus, saluran hidrogen Lyman-alpha beberapa kali lebih terang daripada yang dijangkakan. Hebatnya, spektrum juga menunjukkan garis helium yang luar biasa terang.
"Apa pun yang mendorong sumber ini sangat panas - cukup panas untuk mengionkan helium," kata Smith, kira-kira 100,000 darjah Celsius.
Ini dan ciri-ciri lain yang tidak biasa dalam spektrum bermaksud bahawa ia boleh menjadi sekumpulan bintang primordial atau lubang hitam supermasif yang mungkin terbentuk oleh keruntuhan langsung.
Smith menjalankan simulasi untuk kedua-dua senario dan sementara senario kluster bintang "gagal secara spektakuler," kata Smith, model lubang hitam runtuh langsung menunjukkan prestasi yang baik.
Juga, awal tahun ini, para penyelidik menggunakan data gabungan dari Chandra X-ray Observatory, Hubble Space Telescope, dan Spitzer Space Telescope untuk mengenal pasti kemungkinan benih lubang hitam ini. Mereka menemui dua objek, kedua-duanya sepadan dengan profil teori dalam data inframerah. (baca makalah mereka di sini.)
Nampaknya ahli astronomi sedang "menggunakan model ini," kata Smith, untuk menyelesaikan masalah benih quasar dan teka-teki lubang hitam awal.
Nantikan.
Karya Bromm, Loeb dan Smith diterbitkan dalam jurnal Bulanan Notices of the Royal Astronomical Society.
Sumber:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Siaran akhbar untuk mengesan NASA mengenai lubang hitam runtuh langsung awal tahun ini.
