Tabrakan lubang hitam yang 'mustahil' mendorong relativitas ke titik puncaknya – dan para ilmuwan akhirnya memahami caranya
Para ilmuwan telah menelusuri asal usul yang paling masif lubang hitam Penggabungan yang pernah diamati, mengungkapkan bagaimana dua raksasa yang “mustahil” bisa terbentuk meskipun ada asumsi lama bahwa benda-benda seperti itu seharusnya tidak ada.
Lubang hitam ini dianggap “terlarang” karena bintang sebesar itu diperkirakan akan meledak dalam ledakan yang sangat dahsyat, sehingga tidak meninggalkan sisa yang dapat runtuh ke dalam lubang hitam.
Temuan ini juga menunjukkan bahwa lubang hitam dapat terbentuk lebih efisien dari perkiraan para ilmuwan, sehingga dapat mengubah pemahaman kita tentang bagaimana bintang-bintang dan lubang hitam pertama di alam semesta memunculkan lubang hitam supermasif saat ini.
Mengapa penggabungan lubang hitam besar-besaran itu penting
Tabrakan lubang hitam telah menjadi salah satu alat terpenting untuk memahami alam semesta.
“Penggabungan lubang hitam memungkinkan kita mengamati alam semesta bukan melalui cahaya, namun melalui gravitasi – melalui gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh distorsi ruang dan waktu saat lubang hitam berputar dan bergabung,” Bijih Gottliebseorang profesor di Pusat Astrofisika Komputasi yang memimpin penelitian tersebut, mengatakan kepada Live Science melalui email. Gelombang gravitasi menawarkan pemandangan langka ke wilayah luar angkasa yang gravitasinya sangat ekstrem sehingga cahaya pun tidak bisa lepas. Dari bentuk sinyalnya saja, para ilmuwan dapat menyimpulkan massa dan putaran objek yang bergabung serta merekonstruksi bagaimana objek tersebut terbentuk.
Pengamatan ini menguji teori Einstein relativitas umum di mana prediksinya adalah yang paling menuntut, karena kelengkungan ruang-waktu di sekitar penggabungan lubang hitam mendorong teori ini hingga mencapai batasnya. Peristiwa yang melibatkan lubang hitam terberat juga mengungkap bagaimana bintang masif hidup dan mati sepanjang waktu kosmik dan bagaimana lubang hitam awal tumbuh menjadi monster yang berada di pusat galaksi saat ini.
Penggabungan lubang hitam paling masif yang pernah terdeteksi
Kapan detektor mencatat GW231123 pada November 2023, para astronom segera menyadari bahwa planet tersebut terpisah. Dua objek raksasa – kira-kira 100 dan 130 kali massa Matahari – telah menyatu pada jarak lebih dari 2 miliar tahun cahaya. Yang mengejutkan adalah bahwa lubang hitam sebesar ini masuk ke dalam apa yang oleh para fisikawan disebut sebagai “celah massa”, yaitu kisaran antara sekitar 70 dan 140 massa matahari di mana diperkirakan tidak ada lubang hitam.
Bintang-bintang dalam kisaran ini biasanya terkoyak melalui ledakan supernova yang dahsyat, tanpa meninggalkan apa pun. Namun GW231123 tidak hanya menampung satu, tapi dua objek tersebut – dan keduanya menunjukkan tanda-tanda berputar dengan kecepatan ekstrim. Peristiwa tersebut melibatkan “dua lubang hitam yang berputar paling cepat, menunjukkan saluran pembentukan lubang hitam masif dan berputar cepat yang langka, yang seharusnya tidak ada,” kata Gottlieb.
Untuk mengungkap bagaimana lubang hitam bisa terbentuk, tim membuat simulasi tiga dimensi yang mendetail, dimulai dari kehidupan bintang yang sangat masif. Model tersebut mengikuti inti helium sekitar 250 kali massa Matahari saat ia membakar bahan bakar, runtuh, dan membentuk lubang hitam yang baru lahir. Teori sebelumnya berasumsi bahwa bintang seperti itu akan runtuh utuh, meninggalkan lubang hitam seberat inti aslinya. Namun studi baru menunjukkan hal ini tidak selalu terjadi.
Memecahkan hal yang mustahil
Gottlieb dan rekannya menemukan bahwa rotasi cepat mengubah segalanya.
“Kami menunjukkan bahwa jika bintang berputar dengan cepat, ia akan membentuk piringan akresi di sekitar lubang hitam yang baru lahir,” jelas Gottlieb. “Medan magnet kuat yang dihasilkan dalam piringan ini dapat mendorong aliran keluar yang kuat yang mengeluarkan sebagian material bintang, mencegahnya jatuh ke dalam lubang hitam.” Alih-alih menelan seluruh inti, lubang hitam muda kehilangan akses ke sebagian besar materi di sekitarnya karena gaya magnet yang meledakkan material ke luar angkasa.
Mekanisme ini mengurangi massa akhir dari sisa-sisa tersebut, mendorongnya ke dalam kesenjangan massa – suatu wilayah yang sebelumnya dianggap tidak dapat dijangkau. “Akibatnya, massa akhir lubang hitam dapat berkurang secara signifikan, dan mendarat di dalam celah massa, suatu rentang yang sebelumnya dianggap tidak dapat diakses,” kata Gottlieb.
Simulasi tersebut juga secara alami menghasilkan hubungan antara massa dan putaran lubang hitam yang dihasilkan. Medan magnet yang kuat mengekstrak momentum sudut, sehingga memperlambat lubang hitam sekaligus mengeluarkan lebih banyak massa. Medan yang lebih lemah menghasilkan objek yang lebih masif dan berputar lebih cepat. Hubungan ini sangat cocok dengan sifat yang disimpulkan pada dua lubang hitam di GW231123. Yang satu akan terbentuk di bintang dengan medan magnet sedang, dan yang lainnya akan terbentuk di bintang dengan medan magnet yang lebih lemah, sehingga menciptakan pasangan dengan massa dan putaran akhir yang berbeda – persis seperti yang ditunjukkan oleh sinyal gelombang gravitasi.
Apa arti penemuan ini bagi gravitasi dan sejarah kosmik
Peristiwa ekstrem seperti GW231123 memperluas relativitas umum ke titik puncaknya.
“Kelengkungan ruang dan waktu yang luar biasa menyelidiki relativitas umum jauh di dalam rezim medan kuat yang paling ekstrem, memungkinkan kita menguji apakah persamaan Einstein tetap akurat ketika gravitasi berada pada titik paling ekstremnya,” kata Gottlieb.
Jika kejadian serupa sering terjadi di alam semesta awal, maka hal ini akan membentuk pertumbuhan lubang hitam pertama. Penggabungan seperti itu “menyiratkan bahwa lubang hitam masif dapat terbentuk lebih efisien daripada perkiraan model bintang saat ini,” kata Gottlieb. “Hal ini akan mempengaruhi pemahaman kita tentang bagaimana bintang dan lubang hitam generasi pertama melahirkan lubang hitam supermasif yang kita amati di galaksi saat ini.”
Pekerjaan tim menunjukkan jalur pembentukan baru lubang hitam masif dan memprediksi pola spesifik yang dapat dicari para astronom. “Pekerjaan kami membuka jendela baru terhadap pembentukan lubang hitam dalam celah massa, memprediksi lubang hitam generasi pertama (tanpa penggabungan sebelumnya) pada semua massa,” kata Gottlieb. Deteksi gelombang gravitasi di masa depan akan menguji apakah korelasi putaran massa yang ditemukan dalam simulasi berlaku di banyak peristiwa.
“Saat kami mendeteksi biner lubang hitam yang lebih masif, kami akan dapat menguji prediksi korelasi pada populasi ini,” kata Gottlieb. Penemuan ini dapat mengungkap apakah GW231123 merupakan benda langka di alam semesta atau merupakan tanda jelas pertama dari populasi tersembunyi lubang hitam masif yang berputar dengan cepat.
