”Tidak ada yang pernah meramalkan bahwa satu bintang yang runtuh bisa menghasilkan sepasang lubang hitam yang kemudian bergabung.” - Christian Reisswig
Lubang hitam — benda besar di ruang angkasa dengan gaya gravitasi yang begitu kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat menghindarinya — tersedia dalam berbagai ukuran. Di ujung yang lebih kecil dari skala adalah lubang hitam massa-bintang yang terbentuk selama kematian bintang-bintang. Pada ujung yang lebih besar adalah lubang hitam supermasif, yang mengandung hingga satu miliar kali massa matahari kita. Selama milyaran tahun, lubang hitam kecil perlahan-lahan dapat tumbuh menjadi varietas supermasif dengan mengambil massa dari lingkungan mereka dan juga dengan bergabung dengan lubang hitam lainnya. Tetapi proses yang lambat ini tidak dapat menjelaskan masalah lubang hitam supermasif yang ada di alam semesta awal — lubang hitam semacam itu akan terbentuk kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang.
Sekarang temuan baru oleh para peneliti di California Institute of Technology (Caltech) dapat membantu untuk menguji model yang memecahkan masalah ini.
Video ini menunjukkan keruntuhan bintang supermasif yang berputar secara cepat dan berbeda dengan perturbasi awal m = 2 densitas kecil. Bintang tidak stabil pada mode m = 2 non-aksimetri, runtuh, dan membentuk dua lubang hitam. Lubang hitam yang baru lahir kemudian menginspirasi dan bergabung di bawah emisi radiasi gravitasi yang kuat. Keruntuhan dipercepat oleh penurunan ~ 0,25% dalam indeks adiabatik Gamma, dimotivasi oleh produksi pasangan elektron-positron pada suhu tinggi.
Model-model tertentu dari pertumbuhan lubang hitam supermasif memohon kehadiran "lubang hitam" benih yang dihasilkan dari kematian bintang-bintang yang sangat awal. Lubang hitam benih ini bertambah besar dan bertambah besar dengan mengambil bahan-bahan di sekitarnya — suatu proses yang disebut pertambahan — atau dengan bergabung dengan lubang hitam lainnya. "Tetapi dalam model-model sebelumnya, tidak ada cukup waktu bagi black hole untuk mencapai skala supermasif begitu cepat setelah kelahiran alam semesta," kata Christian Reisswig, NASA Postdoctoral Fellow di Astrophysics di Caltech dan penulis utama dari belajar. "Pertumbuhan lubang hitam ke skala supermasif di alam semesta muda tampaknya hanya mungkin jika 'benih' massa benda yang runtuh sudah cukup besar," katanya.
Untuk menyelidiki asal-usul lubang hitam supermasif muda, Reisswig, bekerja sama dengan Christian Ott, asisten profesor astrofisika teoritis, dan rekan-rekan mereka beralih ke model yang melibatkan bintang-bintang supermasif. Bintang-bintang raksasa dan agak eksotis ini dihipotesiskan hanya ada sebentar di alam semesta awal. Tidak seperti bintang biasa, bintang supermasif distabilkan melawan gravitasi sebagian besar oleh radiasi foton mereka sendiri.Dalam sebuah bintang yang sangat masif, radiasi foton — fluks luar foton yang dihasilkan karena suhu interior bintang yang sangat tinggi — mendorong gas dari bintang ke luar berlawanan dengan gaya gravitasi yang menarik gas kembali. Ketika kedua gaya berada sama, keseimbangan ini disebut keseimbangan hidrostatik.
Selama hidupnya, bintang supermasif perlahan-lahan mendingin karena kehilangan energi melalui emisi radiasi foton. Saat bintang mendingin, ia menjadi lebih kompak, dan kepadatan pusatnya perlahan meningkat. Proses ini berlangsung selama beberapa juta tahun sampai bintang telah mencapai kekompakan yang cukup untuk ketidakstabilan gravitasi dan untuk bintang mulai runtuh secara gravitasi, kata Reisswig.
Studi sebelumnya meramalkan bahwa ketika bintang supermasif runtuh, mereka mempertahankan bentuk bola yang mungkin menjadi rata karena rotasi yang cepat. Bentuk ini disebut konfigurasi axisymmetric. Menggabungkan fakta bahwa bintang-bintang yang berputar sangat cepat rentan terhadap gangguan kecil, Reisswig dan rekan-rekannya meramalkan bahwa gangguan ini dapat menyebabkan bintang-bintang tersebut menyimpang ke dalam bentuk-bentuk non-aksisimetri selama keruntuhan. Gangguan pada awalnya yang sangat kecil akan tumbuh dengan cepat, pada akhirnya menyebabkan gas di dalam bintang yang runtuh menggumpal dan membentuk fragmen berkepadatan tinggi.
Berbagai tahap yang ditemui selama runtuhnya bintang supermasif yang terpecah-pecah. Setiap panel menunjukkan distribusi kepadatan di bidang ekuator. Bintang itu begitu cepat berputar sehingga konfigurasi pada awal keruntuhan (panel kiri atas) adalah quasi-toroidal (kerapatan maksimum tidak berpusat sehingga menghasilkan cincin kerapatan maksimum). Simulasi berakhir setelah lubang hitam selesai (panel kanan bawah). Kredit: Christian Reisswig / Caltech
Fragmen-fragmen ini akan mengorbit pusat bintang dan menjadi semakin padat ketika mereka mengambil materi selama keruntuhan; mereka juga akan meningkat suhunya. Dan kemudian, kata Reisswig, "efek yang menarik." Pada suhu yang cukup tinggi, akan ada cukup energi yang tersedia untuk menyamakan elektron dan antipartikelnya, atau positron, ke dalam apa yang dikenal sebagai pasangan elektron-positron. Penciptaan pasangan elektron-positron akan menyebabkan hilangnya tekanan, lebih lanjut mempercepat keruntuhan; sebagai hasilnya, dua fragmen yang mengorbit pada akhirnya akan menjadi sangat padat sehingga lubang hitam bisa terbentuk di setiap rumpun. Sepasang lubang hitam mungkin kemudian berputar satu sama lain sebelum bergabung menjadi satu lubang hitam besar. "Ini adalah temuan baru," kata Reisswig. "Tidak ada yang pernah meramalkan bahwa satu bintang yang runtuh bisa menghasilkan sepasang lubang hitam yang kemudian bergabung."
Reisswig dan koleganya menggunakan superkomputer untuk mensimulasikan bintang supermasif yang berada di ambang kehancuran. Simulasi divisualisasikan dengan video yang dibuat dengan menggabungkan jutaan titik yang mewakili data numerik tentang kerapatan, medan gravitasi, dan sifat-sifat lain dari gas yang membentuk bintang-bintang yang runtuh.
Meskipun penelitian ini melibatkan simulasi komputer dan dengan demikian semata-mata teoretis, dalam praktiknya, pembentukan dan penggabungan pasangan lubang hitam dapat menimbulkan radiasi gravitasi yang sangat kuat — riak-riak pada jalinan ruang dan waktu, bepergian dengan kecepatan cahaya — yang kemungkinan akan terlihat di tepi alam semesta kita, kata Reisswig. Observatorium berbasis darat seperti Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), yang dikelola oleh Caltech, sedang mencari tanda-tanda radiasi gravitasi ini, yang pertama kali diprediksi oleh Albert Einstein dalam teori relativitas umumnya; Reisswig mengatakan, observatorium gelombang gravitasi ruang angkasa yang akan datang diperlukan untuk mendeteksi tipe-tipe gelombang gravitasi yang akan mengkonfirmasi temuan-temuan terbaru ini.
Ott mengatakan bahwa temuan ini akan memiliki implikasi penting bagi kosmologi. "Sinyal gelombang gravitasi yang dipancarkan dan deteksi potensinya akan memberi tahu para peneliti tentang proses pembentukan lubang hitam supermasif pertama di alam semesta yang masih sangat muda, dan mungkin menyelesaikan beberapa — dan mengajukan pertanyaan baru — penting pada sejarah alam semesta kita," dia berkata.
Melalui CalTech