“Cegukan” Lubang Hitam – Para Astronom Terkejut dengan Ledakan Berkala di Galaksi Jauh

Analisis mengungkapkan sedikit lubang hitam berulang kali menembus piringan gas lubang hitam yang lebih besar.

Di jantung galaksi yang jauh, sebuah lubang hitam supermasif tampaknya pernah mengalami cegukan.

Astronom dari DENGANItalia, Republik Ceko, dan negara lain telah menemukan bahwa lubang hitam yang sebelumnya tenang, yang berada di pusat galaksi sekitar 800 juta tahun cahaya jauhnya, tiba-tiba meletus, mengeluarkan gumpalan gas setiap 8,5 hari sebelum menetap kembali. keadaannya normal dan tenang.

Cegukan periodik adalah perilaku baru yang belum pernah diamati pada lubang hitam hingga saat ini. Para ilmuwan percaya bahwa penjelasan yang paling mungkin atas ledakan ini berasal dari lubang hitam kedua yang lebih kecil yang bergerak di sekitar pusat lubang hitam supermasif dan mengeluarkan material dari piringan gas lubang hitam yang lebih besar setiap 8,5 hari.

Teori Lubang Hitam yang Menantang

Temuan tim tersebut dipublikasikan pada 27 Maret di jurnal tersebut Kemajuan Ilmu Pengetahuanmenantang gambaran konvensional mengenai piringan akresi lubang hitam, yang selama ini diasumsikan oleh para ilmuwan sebagai piringan gas yang relatif seragam dan berputar mengelilingi pusat lubang hitam. Hasil baru menunjukkan bahwa piringan akresi mungkin lebih bervariasi isinya, mungkin berisi lubang hitam lain dan bahkan seluruh bintang.

“Kami pikir kami tahu banyak tentang lubang hitam, tapi ini memberi tahu kami bahwa ada lebih banyak hal yang bisa mereka lakukan,” kata penulis studi Dheeraj “DJ” Pasham, seorang ilmuwan peneliti di Institut Kavli untuk Penelitian Astrofisika dan Luar Angkasa MIT. “Kami pikir akan ada lebih banyak sistem seperti ini, dan kami hanya perlu mengambil lebih banyak data untuk menemukannya.”

Rekan penulis studi di MIT ini termasuk Peter Kosec, mahasiswa pascasarjana Megan Masterson, Associate Professor Erin Kara, Ilmuwan Riset Utama Ronald Remillard, dan mantan ilmuwan riset Michael Fausnaugh, serta kolaborator dari berbagai institusi, termasuk Tor Vergata University of Rome, the Institut Astronomi Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko, dan Universitas Masaryk di Republik Ceko.

“Gunakan atau Hilangkan”

Temuan tim ini berasal dari deteksi otomatis oleh ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), sebuah jaringan yang terdiri dari 20 teleskop robotik yang terletak di berbagai lokasi di Belahan Bumi Utara dan Selatan. Teleskop secara otomatis mengamati seluruh langit sekali sehari untuk mencari tanda-tanda supernova dan fenomena sementara lainnya.

Pada bulan Desember 2020, survei tersebut menemukan semburan cahaya di galaksi yang berjarak sekitar 800 juta tahun cahaya. Bagian tertentu dari langit tersebut relatif tenang dan gelap hingga terdeteksi oleh teleskop, ketika galaksi tiba-tiba menjadi terang dengan faktor 1.000. Pasham, yang kebetulan melihat deteksi tersebut dilaporkan dalam peringatan komunitas, memilih untuk fokus pada suar tersebut NASA‘s NICER (Penjelajah Komposisi Interior bintang Neutron), sebuah teleskop sinar-X di atas kapal Stasiun ruang angkasa Internasional yang terus memantau langit untuk mencari semburan sinar-X yang dapat menandakan aktivitas bintang neutron, lubang hitam, dan fenomena gravitasi ekstrem lainnya. Waktunya tidak disengaja, karena saat itu mendekati akhir periode satu tahun di mana Pasham mendapat izin untuk mengarahkan, atau “memicu”, teleskop tersebut.

“Saya bisa menggunakannya atau kehilangannya, dan ternyata itu adalah keberuntungan saya,” katanya.

Dia melatih NICER untuk mengamati galaksi jauh yang terus menyala. Ledakan itu berlangsung sekitar empat bulan sebelum mereda. Selama waktu itu, NICER melakukan pengukuran emisi sinar-X galaksi setiap hari dengan frekuensi tinggi. Ketika Pasham mencermati data tersebut, dia melihat pola aneh dalam flare yang berlangsung selama empat bulan: penurunan halus, dalam pita sinar-X yang sangat sempit, yang tampaknya muncul kembali setiap 8,5 hari.

Tampaknya ledakan energi galaksi menurun secara berkala setiap 8,5 hari. Sinyal tersebut mirip dengan apa yang dilihat para astronom ketika sebuah planet yang mengorbit melintas di depan bintang induknya, sehingga menghalangi cahaya bintang tersebut untuk sesaat. Namun tidak ada bintang yang mampu menghalangi suar dari seluruh galaksi.

“Saya bingung apa artinya ini karena pola ini tidak sesuai dengan apa pun yang kita ketahui tentang sistem ini,” kenang Pasham.

Pukul itu

Saat ia mencari penjelasan mengenai penurunan periodik, Pasham menemukan makalah terbaru yang ditulis oleh fisikawan teoretis di Republik Ceko. Para ahli teori secara terpisah telah menemukan bahwa, secara teori, lubang hitam supermasif di pusat galaksi mungkin menjadi tuan rumah bagi lubang hitam kedua yang jauh lebih kecil. Lubang hitam yang lebih kecil itu bisa mengorbit pada sudut dari piringan akresi rekannya yang lebih besar.

Seperti yang dikemukakan oleh para ahli teori, lubang hitam sekunder secara berkala akan menembus piringan lubang hitam primer saat mengorbit. Dalam prosesnya, ia akan melepaskan segumpal gas, seperti lebah yang terbang menembus awan serbuk sari. Medan magnet yang kuat, di utara dan selatan lubang hitam, kemudian dapat melontarkan gumpalan tersebut ke atas dan keluar dari piringan. Setiap kali lubang hitam yang lebih kecil menembus piringan, ia akan mengeluarkan gumpalan lain, dalam pola yang teratur dan berkala. Jika gumpalan tersebut kebetulan mengarah ke teleskop yang mengamati, maka ia mungkin mengamati gumpalan tersebut sebagai penurunan energi galaksi secara keseluruhan, sehingga sering kali menghalangi cahaya piringan.

“Saya sangat gembira dengan teori ini, dan saya segera mengirim email kepada mereka untuk mengatakan, ‘Saya pikir kami mengamati dengan tepat apa yang diprediksi oleh teori Anda,’” kata Pasham.

Dia dan para ilmuwan Ceko bekerja sama untuk menguji gagasan tersebut, dengan simulasi yang menggabungkan pengamatan NICER terhadap ledakan awal, dan penurunan reguler selama 8,5 hari. Apa yang mereka temukan mendukung teori tersebut: Ledakan yang diamati kemungkinan besar merupakan sinyal adanya lubang hitam kedua yang lebih kecil, yang mengorbit lubang hitam supermasif di pusat, dan secara berkala menembus cakramnya.

Secara khusus, tim menemukan bahwa galaksi relatif tenang sebelum terdeteksi pada bulan Desember 2020. Tim memperkirakan lubang hitam supermasif di pusat galaksi berukuran sebesar 50 juta matahari. Sebelum ledakan terjadi, lubang hitam mungkin memiliki piringan akresi samar dan menyebar yang berputar di sekitarnya, karena lubang hitam kedua yang lebih kecil, berukuran 100 hingga 10.000 massa matahari, mengorbit dalam jarak yang relatif tidak jelas.

Para peneliti menduga bahwa, pada bulan Desember 2020, objek ketiga – kemungkinan besar adalah bintang terdekat – berayun terlalu dekat dengan sistem dan hancur berkeping-keping oleh gravitasi lubang hitam supermasif yang sangat besar – sebuah peristiwa yang oleh para astronom dikenal sebagai “peristiwa gangguan pasang surut.” Masuknya material bintang secara tiba-tiba untuk sesaat mencerahkan piringan akresi lubang hitam saat puing-puing bintang berputar ke dalam lubang hitam. Selama empat bulan, lubang hitam memakan puing-puing bintang saat lubang hitam kedua terus mengorbit. Saat ia menembus disk, ia mengeluarkan gumpalan yang jauh lebih besar dari biasanya, yang kemudian terlontar langsung menuju ruang lingkup NICER.

Tim melakukan banyak simulasi untuk menguji penurunan periodik. Mereka menyimpulkan, penjelasan yang paling mungkin adalah jenis baru sistem David-and-Goliath – sebuah lubang hitam kecil bermassa sedang yang bergerak mengelilingi lubang hitam supermasif.

“Ini adalah hal yang berbeda,” kata Pasham. “Hal ini tidak sesuai dengan apa yang kami ketahui tentang sistem ini. Kita melihat bukti adanya objek yang masuk dan melewati piringan, pada sudut yang berbeda-beda, yang menantang gambaran tradisional tentang piringan gas sederhana di sekitar lubang hitam. Kami pikir ada banyak sekali populasi sistem ini di luar sana.”

“Ini adalah contoh brilian tentang bagaimana menggunakan puing-puing bintang yang terganggu untuk menerangi bagian dalam inti galaksi yang seharusnya tetap gelap. Ini mirip dengan menggunakan pewarna fluoresen untuk menemukan kebocoran pada pipa,” kata Richard Saxton, astronom sinar-X dari European Space Astronomy Center (ESAC) di Madrid, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Hasil ini menunjukkan bahwa biner lubang hitam supermasif yang sangat dekat mungkin merupakan hal yang umum terjadi di inti galaksi, yang merupakan perkembangan yang sangat menarik untuk detektor gelombang gravitasi di masa depan.”

Referensi: “Kasus sistem lubang hitam biner terungkap melalui aliran keluar kuasi-periodik” oleh Dheeraj R. Pasham, Francesco Tombesi, Petra Suková, Michal Zajaček, Suvendu Rakshit, Eric Coughlin, Peter Kosec, Vladimír Karas, Megan Masterson, Andrew Mummery , Thomas W.-S. Holoien, Muryel Guolo, Jason Hinkle, Bart Ripperda, Vojtěch Witzany, Ben Shappee, Erin Kara, Assaf Horesh, Sjoert van Velzen, Itai Sfaradi, David Kaplan, Noam Burger, Tara Murphy, Ronald Remillard, James F. Steiner, Thomas Wevers, Riccardo Arcodia, Johannes Buchner, Andrea Merloni, Adam Malyali, Andy Fabian, Michael Fausnaugh, Tansu Daylan, Diego Altamirano, Anna Payne dan Elizabeth C. Ferraraa, 27 Maret 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adj8898

Penelitian ini sebagian didukung oleh NASA.