Bagaimana jika materi gelap terdiri dari populasi lubang hitam yang serupa dengan yang terdeteksi oleh LIGO tahun lalu? Sebuah studi baru menganalisis kemungkinan ini.
Konsep seniman tentang lubang hitam purba, melalui NASA.
Para astronom modern percaya bahwa sebagian besar alam semesta kita ada dalam bentuk materi gelap. Seperti semua materi, materi gelap muncul untuk memberikan tarikan gravitasi, tetapi tidak dapat dilihat. Jika ada, ia tidak memancarkan cahaya maupun bentuk radiasi lain yang dideteksi para ilmuwan. Para ilmuwan telah menyukai model teoritis menggunakan partikel masif eksotis untuk menjelaskan materi gelap, tetapi sejauh ini tidak ada bukti pengamatan bahwa ini adalah masalahnya. Pada 24 Mei 2016, NASA mengumumkan penelitian baru yang memperkuat gagasan hipotesis alternatif: materi gelap mungkin dibuat dari lubang hitam.
Alexander Kashlinsky, seorang astrofisika di NASA Goddard, memimpin penelitian baru, yang katanya adalah:
... sebuah upaya untuk menyatukan serangkaian ide dan pengamatan yang luas untuk menguji seberapa baik mereka cocok, dan cocok secara mengejutkan baik. Jika ini benar, maka semua galaksi, termasuk galaksi kita, tertanam dalam ruang besar lubang hitam masing-masing sekitar 30 kali massa matahari.
Ada beberapa cara untuk membentuk lubang hitam, tetapi semuanya melibatkan kepadatan materi yang tinggi. Lubang hitam dari penelitian Kashlinsky adalah apa yang disebut lubang belakang primordial, Diperkirakan telah terbentuk di fraksi pertama sedetik setelah Big Bang, ketika tekanan dan suhu sangat tinggi. Selama waktu ini, fluktuasi kecil dalam kepadatan materi mungkin telah mengoyak alam semesta awal dengan lubang hitam, dan, jika demikian, ketika alam semesta mengembang, lubang hitam primordial itu akan tetap stabil, ada hingga zaman kita.
Dalam makalah barunya, Kashlinsky menunjuk ke dua garis utama bukti bahwa lubang hitam ini dapat menjelaskan materi gelap yang hilang yang diperkirakan meliputi alam semesta kita. Pernyataannya menjelaskan bahwa gagasan ini:
... selaras dengan pengetahuan kami tentang sinar inframerah kosmik dan latar belakang sinar-X dan dapat menjelaskan massa tinggi yang tak terduga dari penggabungan lubang hitam yang terdeteksi tahun lalu.
Kiri: Gambar ini dari Teleskop Luar Angkasa Spitzer NASA menunjukkan pemandangan inframerah area langit di rasi bintang Ursa Major. Kanan: Setelah menutupi semua bintang, galaksi, dan artefak yang diketahui serta meningkatkan apa yang tersisa, cahaya latar yang tidak beraturan muncul. Ini adalah latar belakang inframerah kosmik (CIB); warna yang lebih terang menunjukkan area yang lebih cerah. Gambar melalui NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
Bukti pertama adalah tambalan yang berlebihan dalam cahaya latar belakang cahaya inframerah yang diamati.
Pada tahun 2005, Kashlinsky memimpin tim astronom menggunakan Teleskop Luar Angkasa Spitzer NASA untuk menjelajahi cahaya latar belakang inframerah ini di satu bagian langit. Timnya menyimpulkan bahwa kelicikan yang diamati kemungkinan disebabkan oleh cahaya agregat dari sumber pertama yang menerangi alam semesta lebih dari 13 miliar tahun yang lalu. Lalu pertanyaannya menjadi ... apa sumber pertama ini? Apakah ada lubang hitam purba di antara mereka?
Studi tindak lanjut mengkonfirmasi bahwa latar belakang inframerah kosmik (CIB) ini menunjukkan tambalan yang tidak terduga serupa di bagian lain dari langit. Kemudian pada 2013, sebuah penelitian membandingkan bagaimana latar belakang sinar-X kosmik dibandingkan dengan latar belakang inframerah di area yang sama di langit. Pernyataan Kashlinksy mengatakan:
… Pancaran sinar-X berenergi rendah yang tidak beraturan pada lapisan yang cukup baik. Satu-satunya objek yang kita ketahui yang dapat cukup bercahaya di seluruh rentang energi ini adalah lubang hitam.
Studi 2013 menyimpulkan bahwa lubang hitam primordial pasti berlimpah di antara bintang-bintang paling awal, membentuk setidaknya satu dari setiap lima sumber yang berkontribusi pada latar belakang inframerah kosmik.
Sekarang lanjutkan ke 14 September 2015, dan bukti kedua Kashlinsky bahwa lubang hitam purba membentuk materi gelap. Tanggal itu - sekarang ditandai dalam sejarah sains - adalah ketika para ilmuwan di fasilitas Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana membuat deteksi gelombang gravitasi yang pertama dan sangat menarik. Sepasang lubang hitam yang bergabung 1,3 miliar tahun cahaya diperkirakan menghasilkan gelombang yang terdeteksi oleh LIGO 14 September lalu. Gelombangnya adalah riak dalam struktur ruang-waktu, bergerak dengan kecepatan cahaya.
Selain menjadi deteksi gelombang gravitasi yang pertama kali, dan dengan asumsi peristiwa LIGO telah ditafsirkan dengan benar, peristiwa ini juga menandai deteksi langsung pertama lubang hitam. Dengan demikian, itu memberi para ilmuwan informasi tentang massa lubang hitam individu, yang 29 dan 36 kali massa matahari, plus atau minus sekitar empat massa matahari.
Dalam penelitian barunya, Kashlinsky menunjukkan bahwa ini dianggap sebagai perkiraan massa black hole primordial. Bahkan, ia menyarankan bahwa apa yang mungkin terdeteksi oleh LIGO adalah penggabungan lubang hitam purba.
Lubang hitam primordial, jika ada, bisa mirip dengan lubang hitam gabungan yang terdeteksi oleh tim LIGO pada tahun 2015. Simulasi komputer ini menunjukkan dalam gerak lambat seperti apa merger ini kelihatannya dari dekat. Cincin di sekitar lubang hitam, yang disebut cincin Einstein, muncul dari semua bintang di wilayah kecil tepat di belakang lubang yang cahayanya terdistorsi oleh lensa gravitasi. Gelombang gravitasi yang terdeteksi oleh LIGO tidak ditampilkan dalam video ini, meskipun pengaruhnya dapat dilihat di cincin Einstein. Gelombang gravitasi yang berjalan di balik lubang hitam mengganggu gambar bintang yang terdiri dari cincin Einstein, menyebabkan mereka tenggelam di dalam cincin bahkan lama setelah merger selesai. Gelombang gravitasi yang bergerak ke arah lain menyebabkan tumpah yang lebih pendek dan berumur pendek di mana-mana di luar cincin Einstein. Jika diputar ulang dalam waktu nyata, film akan bertahan sekitar sepertiga detik. Gambar melalui SXS Lensing.
Dalam makalah barunya, yang diterbitkan 24 Mei 2016 di The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky menganalisis apa yang mungkin terjadi jika materi gelap terdiri dari populasi lubang hitam yang serupa dengan yang terdeteksi oleh LIGO. Pernyataannya menyimpulkan:
Lubang hitam mendistorsi distribusi massa di alam semesta awal, menambahkan fluktuasi kecil yang memiliki konsekuensi ratusan juta tahun kemudian, ketika bintang-bintang pertama mulai terbentuk.
Untuk sebagian besar 500 juta tahun pertama di alam semesta, materi normal tetap terlalu panas untuk menyatu menjadi bintang-bintang pertama. Materi gelap tidak terpengaruh oleh suhu tinggi karena, apa pun sifatnya, ia terutama berinteraksi melalui gravitasi. Agregasi oleh ketertarikan timbal balik, materi gelap pertama runtuh menjadi rumpun yang disebut minihaloes, yang menyediakan benih gravitasi memungkinkan materi normal untuk menumpuk. Gas panas runtuh ke arah minihaloes, menghasilkan kantong-kantong gas yang cukup padat untuk selanjutnya jatuh sendiri ke bintang-bintang pertama. menunjukkan bahwa jika lubang hitam memainkan bagian dari materi gelap, proses ini terjadi lebih cepat dan mudah menghasilkan lumpiness yang terdeteksi dalam data Spitzer bahkan jika hanya sebagian kecil dari minihalo berhasil menghasilkan bintang.
Ketika gas kosmik jatuh ke dalam minihaloes, lubang hitam konstituen mereka secara alami akan menangkap sebagian juga. Materi yang jatuh ke arah lubang hitam memanas dan akhirnya menghasilkan sinar-X. Bersama-sama, cahaya inframerah dari bintang-bintang pertama dan sinar-X dari gas yang jatuh ke lubang hitam materi gelap dapat menjelaskan perjanjian yang diamati antara tambal sulam dan.
Kadang-kadang, beberapa lubang hitam purba akan melewati cukup dekat untuk secara gravitasi ditangkap ke dalam sistem biner. Lubang hitam di masing-masing binari ini akan, selama ribuan tahun, memancarkan radiasi gravitasi, kehilangan energi orbital dan spiral ke dalam, akhirnya bergabung menjadi lubang hitam yang lebih besar seperti peristiwa yang diamati LIGO.