JWST Menemukan Lubang Hitam Raksasa di Seluruh Alam Semesta Awal | Majalah Quanta

Bertahun-tahun sebelumnya dia bahkan yakin James Webb Space Telescope akan berhasil diluncurkan, Christina Eilers mulai merencanakan konferensi untuk para astronom yang berspesialisasi dalam alam semesta awal. Dia tahu bahwa jika - lebih disukai, kapan - JWST mulai melakukan pengamatan, dia dan rekan-rekannya akan memiliki banyak hal untuk dibicarakan. Seperti mesin waktu, teleskop dapat melihat lebih jauh dan lebih jauh ke masa lalu daripada instrumen sebelumnya.

Untungnya bagi Eilers (dan komunitas astronomi lainnya), perencanaannya tidak sia-sia: JWST diluncurkan dan digunakan tanpa hambatan, lalu mulai meneliti alam semesta awal dengan sungguh-sungguh dari tempat bertenggernya di ruang angkasa satu juta mil jauhnya.

Pada pertengahan Juni, sekitar 150 astronom berkumpul di Institut Teknologi Massachusetts untuk konferensi "Cahaya Pertama" JWST Eilers. Belum setahun berlalu sejak JWST mulai mengirim gambar kembali ke Bumi. Dan seperti yang telah diantisipasi Eilers, teleskop itu telah membentuk kembali pemahaman para astronom tentang miliaran tahun pertama kosmos.

Satu set objek misterius menonjol dalam segudang presentasi. Beberapa astronom menyebut mereka "monster kecil yang tersembunyi". Bagi yang lain, itu adalah "titik merah kecil". Tapi apa pun namanya, datanya jelas: Ketika JWST menatap galaksi-galaksi muda — yang tampak hanya sebagai bintik merah di kegelapan — ia melihat jumlah yang mengejutkan dengan siklon berputar di pusatnya.

“Tampaknya ada banyak sumber yang tidak kita ketahui,” kata Eilers, seorang astronom di MIT, “yang sama sekali tidak kita antisipasi untuk ditemukan.”

Dalam beberapa bulan terakhir, semburan pengamatan noda kosmik telah menyenangkan dan membingungkan para astronom.

"Semua orang membicarakan titik merah kecil ini," kata Penggemar Xiaohui, seorang peneliti di University of Arizona yang telah menghabiskan karirnya mencari objek jauh di alam semesta awal.

Penjelasan paling gamblang untuk galaksi berhati tornado adalah bahwa lubang hitam besar seberat jutaan matahari membuat awan gas menjadi hiruk-pikuk. Temuan itu diharapkan dan membingungkan. Hal ini diduga karena JWST dibangun antara lain untuk menemukan benda-benda purbakala. Mereka adalah nenek moyang lubang hitam raksasa miliaran matahari yang tampaknya muncul dalam catatan kosmik lebih awal. Dengan mempelajari prekursor lubang hitam ini, seperti yang ditemukan oleh tiga anak muda pemecah rekor tahun ini, para ilmuwan berharap untuk mempelajari dari mana lubang hitam raksasa pertama berasal dan mungkin mengidentifikasi mana dari dua teori yang bersaing yang lebih baik menggambarkan formasi mereka: Apakah mereka tumbuh sangat cepat, atau apakah mereka terlahir besar? Namun pengamatan juga membingungkan karena hanya sedikit astronom yang memperkirakan JWST akan menemukan begitu banyak lubang hitam muda yang kelaparan — dan survei menunjukkan selusinnya. Dalam proses upaya untuk memecahkan misteri sebelumnya, para astronom telah menemukan sekumpulan lubang hitam besar yang dapat menulis ulang teori bintang, galaksi, dan banyak lagi.

“Sebagai ahli teori, saya harus membangun alam semesta,” kata Marta Volonteri, seorang ahli astrofisika yang berspesialisasi dalam lubang hitam di Institut Astrofisika Paris. Volonteri dan rekan-rekannya sekarang bersaing dengan masuknya lubang hitam raksasa di kosmos awal. "Jika mereka [asli], mereka benar-benar mengubah gambarannya."

Mesin Waktu Kosmik

Pengamatan JWST mengguncang astronomi sebagian karena teleskop dapat mendeteksi cahaya yang mencapai Bumi dari ruang angkasa yang lebih dalam daripada mesin sebelumnya.

“Kami membangun teleskop yang luar biasa kuat ini selama 20 tahun,” kata Berikan Tremblay, seorang ahli astrofisika di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian. “Inti awalnya adalah untuk melihat jauh ke dalam waktu kosmik.”

Salah satu tujuan misi ini adalah menangkap galaksi yang sedang terbentuk selama miliaran tahun pertama alam semesta (dari sekitar 13.8 miliar tahun sejarahnya). Pengamatan awal teleskop dari musim panas lalu mengisyaratkan alam semesta muda penuh dengan galaksi-galaksi yang sangat matang, tetapi informasi yang dapat diperoleh para astronom dari gambar-gambar semacam itu terbatas. Untuk benar-benar memahami alam semesta awal, para astronom membutuhkan lebih dari sekadar gambar; mereka mendambakan spektrum galaksi-galaksi itu — data yang masuk saat teleskop memecah cahaya yang masuk ke dalam rona tertentu.

Spektrum galaksi, yang JWST mulai kirimkan kembali dengan sungguh-sungguh pada akhir tahun lalu, berguna karena dua alasan.

Pertama, mereka membiarkan para astronom menentukan usia galaksi. Cahaya inframerah yang dikumpulkan JWST memerah, atau bergeser merah, artinya saat melintasi kosmos, panjang gelombangnya diregangkan oleh perluasan ruang. Luasnya pergeseran merah itu memungkinkan para astronom menentukan jarak sebuah galaksi, dan karena itu kapan galaksi awalnya memancarkan cahayanya. Galaksi terdekat memiliki pergeseran merah hampir nol. JWST dapat dengan mudah melihat objek di luar pergeseran merah 5, yang setara dengan kira-kira 1 miliar tahun setelah Big Bang. Objek pada pergeseran merah yang lebih tinggi secara signifikan lebih tua dan lebih jauh.

Kedua, spektrum memberi para astronom gambaran tentang apa yang terjadi di galaksi. Setiap rona menandai interaksi antara foton dan atom (atau molekul) tertentu. Satu warna berasal dari atom hidrogen yang berkedip saat mengendap setelah benturan; yang lain menunjukkan atom oksigen berdesak-desakan, dan nitrogen lainnya. Spektrum adalah pola warna yang mengungkapkan terbuat dari apa galaksi dan apa yang dilakukan elemen-elemen itu, dan JWST menyediakan konteks penting untuk galaksi pada jarak yang belum pernah terjadi sebelumnya.

"Kami telah membuat lompatan besar," kata Aayush Saxena, seorang astronom di Universitas Oxford. Fakta bahwa "kita berbicara tentang komposisi kimia dari galaksi redshift 9 benar-benar luar biasa."

(Pergeseran merah 9 sangat jauh, sesuai dengan waktu ketika alam semesta baru berusia 0.55 miliar tahun.)

Spektrum galaksi juga merupakan alat yang sempurna untuk menemukan perturber utama atom: lubang hitam raksasa yang mengintai di jantung galaksi. Lubang hitam itu sendiri gelap, tetapi ketika mereka memakan gas dan debu, mereka merobek atom-atomnya, membuatnya memancarkan warna-warni. Jauh sebelum peluncuran JWST, astrofisikawan berharap teleskop akan membantu mereka menemukan pola-pola itu dan menemukan lubang hitam paling aktif dan terbesar di alam semesta awal untuk memecahkan misteri bagaimana mereka terbentuk.

Terlalu Besar, Terlalu Dini

Misteri itu dimulai lebih dari 20 tahun yang lalu, ketika sebuah tim yang dipimpin oleh Fan melihat salah satunya galaksi yang paling jauh pernah diamati — quasar cemerlang, atau galaksi yang berlabuh ke lubang hitam supermasif aktif yang beratnya mungkin miliaran matahari. Itu memiliki pergeseran merah 5, setara dengan sekitar 1.1 miliar tahun setelah Big Bang. Dengan sapuan langit lebih lanjut, Fan dan rekan-rekannya berulang kali memecahkan rekor mereka sendiri, mendorong batas pergeseran merah quasar ke 6 di 2001 dan akhirnya ke 7.6 di 2021 — hanya 0.7 miliar tahun setelah Big Bang.

Masalahnya adalah membuat lubang hitam raksasa seperti itu tampaknya tidak mungkin terjadi di awal sejarah kosmik.

Seperti objek apa pun, lubang hitam membutuhkan waktu untuk tumbuh dan terbentuk. Dan seperti balita setinggi 6 kaki, lubang hitam super besar Fan terlalu besar untuk usianya - alam semesta tidak cukup tua untuk menghasilkan miliaran matahari. Untuk menjelaskan balita yang terlalu besar itu, fisikawan terpaksa mempertimbangkan dua pilihan yang tidak menyenangkan.

Yang pertama adalah bahwa galaksi Fan mulai diisi dengan lubang hitam bermassa bintang standar yang sering ditinggalkan oleh supernova. Mereka kemudian tumbuh dengan menggabungkan dan dengan menelan gas dan debu di sekitarnya. Biasanya, jika sebuah lubang hitam berpesta cukup agresif, semburan radiasi akan mendorong potongan-potongannya. Itu menghentikan kegilaan makan dan menetapkan batas kecepatan pertumbuhan lubang hitam yang oleh para ilmuwan disebut batas Eddington. Tapi langit-langitnya lunak: Semburan debu yang terus-menerus bisa dibayangkan mengatasi curahan radiasi. Namun, sulit membayangkan mempertahankan pertumbuhan "super-Eddington" seperti itu cukup lama untuk menjelaskan binatang buas Fan - mereka harus bertambah besar dengan sangat cepat.

Atau mungkin lubang hitam bisa terlahir sangat besar. Awan gas di alam semesta awal mungkin telah runtuh langsung menjadi lubang hitam yang beratnya ribuan matahari — menghasilkan objek yang disebut biji berat. Skenario ini juga sulit dipahami, karena awan gas yang begitu besar dan menggumpal seharusnya pecah menjadi bintang sebelum membentuk lubang hitam.

Salah satu prioritas JWST adalah mengevaluasi kedua skenario ini dengan mengintip ke masa lalu dan menangkap nenek moyang galaksi Fan yang lebih redup. Prekursor ini tidak akan menjadi quasar, tetapi galaksi dengan lubang hitam yang agak lebih kecil sedang dalam perjalanan untuk menjadi quasar. Dengan JWST, para ilmuwan memiliki peluang terbaik untuk menemukan lubang hitam yang baru saja mulai tumbuh — objek yang cukup muda dan cukup kecil bagi para peneliti untuk menentukan berat lahirnya.

Itulah salah satu alasan sekelompok astronom dengan Cosmic Evolution Early Release Science Survey, atau CEERS, yang dipimpin oleh Dale Kocevski dari Colby College, mulai bekerja lembur ketika mereka pertama kali melihat tanda-tanda lubang hitam muda bermunculan pada hari-hari setelah Natal.

"Agak mengesankan berapa banyak dari ini," tulis Jeyhan Kartaltepe, seorang astronom di Rochester Institute of Technology, selama diskusi tentang Slack.

“Banyak monster kecil yang tersembunyi,” jawab Kocevski.

Kerumunan Monster yang Berkembang

Dalam spektrum CEERS, beberapa galaksi segera melompat keluar karena berpotensi menyembunyikan bayi lubang hitam — monster kecil. Tidak seperti saudaranya yang lebih vanila, galaksi-galaksi ini memancarkan cahaya yang tidak datang hanya dengan satu warna terang untuk hidrogen. Alih-alih, garis hidrogen diolesi, atau diperluas, menjadi berbagai rona, menunjukkan bahwa beberapa gelombang cahaya dipadatkan saat awan gas yang mengorbit dipercepat menuju JWST (sama seperti ambulans yang mendekat mengeluarkan raungan yang meningkat saat gelombang suara sirene dikompresi) sementara lainnya gelombang membentang saat awan terbang menjauh. Kocevski dan rekan-rekannya tahu bahwa lubang hitam adalah satu-satunya objek yang mampu melontarkan hidrogen seperti itu.

“Satu-satunya cara untuk melihat komponen luas dari gas yang mengorbit lubang hitam adalah jika Anda melihat langsung ke laras galaksi dan tepat ke dalam lubang hitam,” kata Kocevski.

Pada akhir Januari, tim CEERS telah berhasil membuat pracetak yang menggambarkan dua "monster kecil yang tersembunyi", begitu mereka menyebutnya. Kemudian kelompok tersebut berangkat untuk mempelajari secara sistematis petak yang lebih luas dari ratusan galaksi yang dikumpulkan oleh program mereka untuk melihat berapa banyak lubang hitam yang ada di luar sana. Namun mereka berhasil ditangkap oleh tim lain, yang dipimpin oleh Yuichi Harikane dari Universitas Tokyo, hanya beberapa minggu kemudian. Kelompok Harikane mencari 185 galaksi CEERS terjauh dan menemukan 10 dengan garis hidrogen yang luas — kemungkinan karya lubang hitam pusat bermassa jutaan matahari pada pergeseran merah antara 4 dan 7. Kemudian pada bulan Juni, analisis terhadap dua survei lain yang dipimpin oleh Jorryt Matthee Institut Teknologi Federal Swiss Zurich mengidentifikasi 20 lebih "titik merah kecil” dengan garis hidrogen lebar: lubang hitam berputar di sekitar pergeseran merah 5. Sebuah analisis diposting pada awal Agustus mengumumkan selusin lainnya, beberapa di antaranya bahkan mungkin sedang dalam proses tumbuh dengan penggabungan.

“Saya sudah lama menunggu hal-hal ini,” kata Volonteri. "Ini luar biasa."

Tetapi hanya sedikit astronom yang mengantisipasi banyaknya galaksi dengan lubang hitam besar yang aktif. Bayi quasar di tahun pertama pengamatan JWST lebih banyak dari yang diprediksi oleh para ilmuwan sensus quasar dewasa - antara 10 kali dan 100 kali lebih banyak.

“Sangat mengejutkan bagi seorang astronom bahwa kami melenceng dengan urutan besarnya atau bahkan lebih,” kata Eilers, yang berkontribusi pada makalah titik-titik merah kecil.

“Selalu terasa seperti pada pergeseran merah tinggi quasar ini hanyalah puncak gunung es,” kata Stéphanie Juneau, seorang astronom di NOIRLab National Science Foundation dan salah satu penulis makalah monster kecil. “Kita mungkin menemukan bahwa di bawahnya, populasi [lebih redup] ini bahkan lebih besar dari sekadar gunung es biasa.”

Keduanya Pergi ke Hampir 11

Namun, untuk melihat sekilas binatang-binatang itu dalam masa pertumbuhannya, para astronom tahu bahwa mereka harus melampaui pergeseran merah 5 dan melihat lebih dalam miliaran tahun pertama alam semesta. Baru-baru ini, beberapa tim melihat lubang hitam makan pada jarak yang benar-benar belum pernah terjadi sebelumnya.

Di bulan Maret, sebuah analisis CEERS yang dipimpin oleh Rebecca Larson, seorang ahli astrofisika di University of Texas, Austin, menemukan garis hidrogen yang luas di sebuah galaksi pada pergeseran merah 8.7 (0.57 miliar tahun setelah Big Bang), menetapkan rekor baru untuk lubang hitam aktif terjauh yang pernah ditemukan.

Tetapi rekor Larson jatuh hanya beberapa bulan kemudian, setelah para astronom dengan kolaborasi JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) mendapatkan spektrum GN-z11. Pada pergeseran merah 10.6, GN-z11 telah berada di tepi paling redup dari penglihatan Teleskop Luar Angkasa Hubble, dan para ilmuwan sangat ingin mempelajarinya dengan mata yang lebih tajam. Pada bulan Februari, JWST telah menghabiskan lebih dari 10 jam mengamati GN-z11, dan para peneliti dapat langsung mengetahui bahwa galaksi tersebut adalah bola aneh. Kelimpahannya nitrogen adalah "benar-benar rusak," kata Jan Scholtz, anggota JADES di University of Cambridge. Melihat begitu banyak nitrogen di galaksi muda seperti bertemu anak berusia 6 tahun dengan bayangan pukul lima, terutama jika nitrogen dibandingkan dengan simpanan oksigen galaksi yang sangat sedikit, sebuah atom sederhana yang harus dirangkai oleh bintang terlebih dahulu.

Kolaborasi JADES ditindaklanjuti dengan 16 atau lebih jam pengamatan JWST di awal Mei. Data tambahan mempertajam spektrum, mengungkapkan bahwa dua warna nitrogen yang terlihat sangat tidak merata - satu cerah dan satu redup. Pola tersebut, kata tim tersebut, menunjukkan bahwa GN-z11 penuh dengan awan gas padat yang terkonsentrasi di a gaya gravitasi yang menakutkan.

“Saat itulah kami menyadari bahwa kami sedang menatap tepat ke piringan akresi lubang hitam,” kata Scholtz. Penjajaran yang kebetulan itu menjelaskan mengapa galaksi yang jauh cukup terang untuk dilihat oleh Hubble.

Lubang hitam yang sangat muda dan lapar seperti GN-z11 adalah objek yang diharapkan astrofisikawan akan menyelesaikan kebingungan tentang bagaimana quasar Fan muncul. Namun ternyata, GN-z11 superlatif pun tidak cukup muda atau cukup kecil bagi para peneliti untuk menentukan massa kelahirannya secara meyakinkan.

“Kita harus mulai mendeteksi massa lubang hitam pada pergeseran merah yang jauh lebih tinggi daripada 11,” kata Scholtz. "Saya tidak tahu saya akan mengatakan ini setahun yang lalu, tapi di sinilah kita."

Petunjuk Berat

Sampai saat itu, para astronom menggunakan trik yang lebih halus untuk menemukan dan mempelajari lubang hitam yang baru lahir, trik seperti menelepon teman - atau teleskop luar angkasa andalan lainnya - untuk meminta bantuan.

Pada awal 2022, Volonteri, Tremblay, dan kolaborator mereka mulai secara berkala mengarahkan Observatorium Sinar-X Chandra NASA ke gugus galaksi yang mereka tahu akan masuk dalam daftar singkat JWST. Cluster bertindak seperti lensa. Itu membengkokkan jalinan ruang-waktu dan memperbesar galaksi-galaksi yang lebih jauh di belakangnya. Tim ingin melihat apakah ada galaksi latar belakang yang menyemburkan sinar-X, kartu panggilan tradisional dari lubang hitam yang rakus.

Selama setahun, Chandra menatap lensa kosmik selama dua minggu — salah satu kampanye observasi terlamanya — dan mengumpulkan 19 foton sinar-X yang berasal dari galaksi bernama UHZ1, di pergeseran merah 10.1. 19 foton beroktan tinggi itu kemungkinan besar berasal dari lubang hitam yang tumbuh yang ada kurang dari setengah miliar tahun setelah Big Bang, menjadikannya sumber sinar-X terjauh yang pernah terdeteksi.

Dengan menggabungkan data JWST dan Chandra, grup tersebut mempelajari sesuatu yang aneh — dan informatif. Di sebagian besar galaksi modern, hampir semua massa berada di bintang-bintang, dengan kurang dari satu persen di pusat lubang hitam. Tapi di UHZ1, massa tampak terbagi rata antara bintang dan lubang hitam - yang bukan pola yang diharapkan para astronom untuk akresi super-Eddington.

Penjelasan yang lebih masuk akal, tim menyarankan, apakah lubang hitam pusat UHZ1 lahir ketika awan raksasa menggumpal menjadi lubang hitam raksasa, menyisakan sedikit gas untuk membuat bintang. Pengamatan ini “bisa konsisten dengan benih yang berat,” kata Tremblay. Sungguh "gila memikirkan tentang bola gas raksasa yang baru saja runtuh ini".

Itu adalah Alam Semesta Lubang Hitam

Beberapa temuan spesifik dari perebutan spektrum gila selama beberapa bulan terakhir pasti akan berubah saat studi melalui tinjauan sejawat. Tapi kesimpulan luasnya - bahwa alam semesta muda menghasilkan sekumpulan lubang hitam raksasa yang aktif dengan sangat cepat - kemungkinan besar akan bertahan. Lagi pula, quasar Fan pasti datang dari suatu tempat.

“Jumlah pasti dan detail setiap objek masih belum pasti, tetapi sangat meyakinkan bahwa kami menemukan populasi besar lubang hitam yang bertambah,” kata Eilers. “JWST telah mengungkapkannya untuk pertama kalinya, dan itu sangat menarik.”

Bagi spesialis lubang hitam, ini adalah penemuan yang telah muncul selama bertahun-tahun. Studi terbaru dari galaksi remaja yang berantakan di alam semesta modern mengisyaratkan bahwa lubang hitam aktif di galaksi muda sedang diabaikan. Dan para ahli teori berjuang karena model digital mereka terus-menerus menghasilkan alam semesta dengan lubang hitam yang jauh lebih banyak daripada yang dilihat para astronom di dunia nyata.

“Saya selalu mengatakan teori saya salah dan observasi benar, jadi saya harus memperbaiki teori saya,” kata Volonteri. Namun mungkin perbedaan itu tidak menunjukkan adanya masalah dengan teori tersebut. "Mungkin titik-titik merah kecil ini tidak diperhitungkan," katanya.

Sekarang lubang hitam yang menyala-nyala berubah menjadi lebih dari sekadar akting cemerlang kosmik di alam semesta yang semakin matang, ahli astrofisika bertanya-tanya apakah menyusun ulang objek dalam peran teoretis yang lebih kecil dapat meringankan beberapa sakit kepala lainnya.

Setelah mempelajari beberapa gambar pertama JWST, beberapa astronom dengan cepat menunjukkan hal itu galaksi tampak sangat berat, mengingat masa muda mereka. Tetapi setidaknya dalam beberapa kasus, lubang hitam yang sangat terang bisa membuat para peneliti melebih-lebihkan bobot bintang di sekitarnya.

Teori lain yang mungkin perlu diubah adalah kecepatan galaksi menghasilkan bintang, yang cenderung terlalu tinggi dalam simulasi galaksi. Kocevski berspekulasi bahwa banyak galaksi mengalami fase monster tersembunyi yang menyebabkan perlambatan pembentukan bintang; mereka mulai terkurung dalam debu pembentuk bintang, dan kemudian lubang hitam mereka tumbuh cukup kuat untuk menyebarkan materi bintang ke dalam kosmos, memperlambat pembentukan bintang. "Kita mungkin melihat skenario itu dalam permainan," katanya.

Saat para astronom mengangkat tabir alam semesta awal, firasat akademis melebihi jumlah jawaban konkret. Sebanyak JWST telah mengubah cara berpikir para astronom tentang lubang hitam aktif, para peneliti tahu bahwa sketsa kosmik yang diungkapkan oleh teleskop tahun ini hanyalah anekdot dibandingkan dengan apa yang akan datang. Mengamati kampanye seperti JADES dan CEERS telah menemukan lusinan kemungkinan lubang hitam yang menatap ke arah mereka dari sepotong langit kira-kira sepersepuluh ukuran bulan purnama. Masih banyak lagi lubang hitam bayi yang menunggu perhatian teleskop dan para astronomnya.

“Semua kemajuan ini telah dicapai dalam sembilan hingga 12 bulan pertama,” kata Saxena. “Sekarang kami memiliki [JWST] untuk sembilan atau 10 tahun ke depan.”