Bagaimana Lubang Hitam Supermasif Menjadi Ada, Segera Setelah Big Bang

"Simulasi ini benar-benar raksasa. Ini adalah yang terbesar dalam hal tingkat fisika dan volume yang sebenarnya."

Para peneliti dari Carnegie Mellon University telah menemukan apa yang menyebabkan lubang hitam supermasif awal bertumbuh sedemikian cepat – pola makan stabil konsumsi makanan dingin cepat saji.

Simulasi komputer, dengan menggunakan superkomputer di National Institute for Computational Sciences dan Pittsburgh Supercomputing Center, serta menggunakan teknologi GigaPan CMU, menunjukkan bahwa aliran tipis gas dingin yang tidak terkendali ke arah pusat lubang hitam pertama, menyebabkan mereka bertumbuh lebih cepat daripada apa pun di alam semesta. Temuan ini dipublikasikan dalam Astrophysical Journal Letters.

Pada masa-masa awal alam semesta, sekitar 700-800 juta tahun setelah Big Bang, sebagian besar objek adalah kecil. Bintang-bintang dan galaksi-galaksi pertama baru saja mulai terbentuk dan bertumbuh pada bagian yang terisolasi di alam semesta. Menurut teori astrofisika, lubang hitam yang ditemukan selama era ini juga seharusnya berbentuk kecil sesuai proporsinya dengan galaksi di mana mereka berada. Namun, pengamatan terakhir dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS) telah menunjukkan bahwa itu tidak terjadi – lubang hitam supermasif besar sudah ada sekitar 700 juta tahun setelah Big Bang.

“Sloan Digital Sky Survey menemukan lubang-lubang hitam supermasif pada kurang dari 1 miliar tahun. Ukuran mereka sama dengan lubang hitam yang paling besar saat ini, yang berusia 13,6 miliar tahun,” kata Tiziana Di Matteo, profesor fisika di Carnegie Mellon. “Ini adalah teka-teki. Mengapa beberapa lubang hitam terbentuk begitu awal ketika dibutuhkan waktu seluruh usia alam semesta bagi lubang hitam lainnya untuk mencapai massa yang sama?”

Lubang hitam supermasif merupakan lubang hitam terbesar, dengan miliaran kali massa lebih besar dari matahari. Biasanya lubang hitam hanya memiliki massa sampai 30 kali lebih besar dari matahari. Astrofisikawan telah menentukan bahwa lubang hitam supermasif dapat terbentuk ketika dua galaksi bertabrakan dan dua lubang hitam mereka bergabung menjadi satu. Tabrakan-tabrakan galaksi ini terjadi di alam semesta pada tahun-tahun kemudian, namun tidak terjadi pada masa-masa awal. Dalam beberapa jutaan tahun pertama setelah Big Bang, galaksi terlalu sedikit dan terlalu terpisah jauh untuk bisa bergabung.

“Jika Anda menulis rumus pada bagaimana galaksi dan lubang hitam terbentuk, tampaknya tidak mungkin dapat membentuk massa yang besar pada waktu sedemikian awal,” kata Rupert Croft, seorang profesor fisika di Carnegie Mellon. “Tapi kita melihat ke luar angkasa dan mereka memang ada.”

Untuk mengetahui persis bagaimana lubang hitam supermasif bisa menjadi ada, Di Matteo, Croft dan Nishikanta Khandai menciptakan simulasi kosmologis terbesar hingga saat ini. Disebut MassiveBlack, simulasi ini difokuskan pada penciptaan kembali miliar tahun pertama setelah Big Bang.

“Simulasi ini benar-benar raksasa. Ini adalah yang terbesar dalam hal tingkat fisika dan volume yang sebenarnya. Kami melakukan ini karena tertarik untuk melihat hal-hal yang langka di alam semesta, seperti lubang hitam pertama. Karena mereka begitu langka, Anda perlu mencari lebih dari volume ruang yang besar,” kata Di Matteo.

Distribusi massal skala besar kosmologis dalam volume simulasi MassiveBlack. Kepadatan gas terproyeksi pada keseluruhan volume ('membuka' ke dalam 2D) ditampilkan dalam gambar skala besar (latar belakang). Kedua gambar di atas menunjukkan dua zoom-in peningkatan faktor 10, wilayah tempat lubang hitam yang paling besar - quasar pertama - terbentuk. Lubang hitam di tengah gambar dan sedang diberi makan oleh aliran gas dingin. (Kredit: Yu Feng)

Mereka mulai dengan menjalankan simulasi di bawah kondisi yang ditetapkan dalam standar model kosmologi – teori yang diterima serta hukum-hukum fisika modern yang mengatur pembentukan dan pertumbuhan alam semesta.

“Kami tidak memasukkan apa pun yang bersifat gila. Tak ada fisika yang ajaib, tidak ada hal-hal tambahan. Ini adalah fisika yang sama yang membentuk galaksi dalam simulasi pada alam semesta kemudian,” kata Croft. “Namun secara ajaib, quasar-quasar awal ini, seperti yang sudah diobervasi, memang muncul. Kami tidak tahu mereka akan menampakkan diri. Sungguh menakjubkan saat mengukur massa mereka dan menjadi ‘Wow! Terdapat ukuran yang tepat dan menunjukkan dengan tepat pada titik yang tepat pada waktunya.’ Ini adalah kisah sukses bagi teori kosmologi modern.”

Data simulasi mereka dimasukkan ke dalam sebuah teknologi baru yang dikembangkan oleh para ilmuwan komputer Carnegie Mellon, yang disebut Time Machine GigaPan. Teknologi ini memungkinkan para peneliti melihat simulasi mereka seolah-olah itu adalah video dengan resolusi yang sangat tinggi. Hal ini memungkinkan mereka untuk dengan mudah menggeser keseluruhan simulasi alam semesta sebagaimana alam semesta terbentuk dan bergerak maju mundur melalui waktu yang diperlukan. Mereka kemudian dapat memperbesar peristiwa yang tampaknya menarik, melihatnya secara lebih rinci daripada yang bisa dilihat dengan menggunakan teleskop.

Ketika mereka meluncur ke penciptaan lubang hitam supermasif pertama, mereka melihat sesuatu yang tidak terduga. Biasanya, saat gas dingin mengalir menuju lubang hitam, mereka bertabrakan dengan gas lainnya di galaksi sekitarnya. Hal ini menyebabkan gas dingin memanas dan kemudian mendingin kembali sebelum memasuki lubang hitam. Proses ini, yang disebut sebagai pemanasan kejutan, akan menghentikan pertumbuhan lubang hitam yang cukup cepat di alam semesta awal untuk mencapai massa yang bisa kita lihat. Sebaliknya, Di Matteo dan Croft melihat pada simulasi aliran tipis gas padat yang dingin mengalir di sepanjang filamen yang memberikan struktur alam semesta dan langsung ke pusat lubang hitam dengan kecepatan yang sangat tinggi, membuat makanan dingin cepat saji untuk lubang hitam. Konsumsi yang tidak terkendali ini menyebabkan lubang hitam secara eksponensial bertumbuh dengan lebih cepat dibandingkan pertumbuhan galaksi di mana mereka berada.

Dan karena galaksi terbentuk ketika sebuah lubang hitam terbentuk, hasilnya juga bisa menjelaskan bagaimana galaksi pertama kali terbentuk, memberikan petunjuk yang lebih untuk bagaimana alam semesta menjadi ada. Di Matteo dan Croft berharap untuk sedikit mendorong batas-batas simulasi mereka, bahkan menciptakan simulasi yang lebih besar yang mencakup lebih banyak ruang dan waktu.

Kredit: Carnegie Mellon University
Jurnal: Yu Feng, Rupert A. C. Croft, Tiziana Di Matteo, Nishikanta Khandai, Randy Sargent, Illah Nourbakhsh, Paul Dille, Chris Bartley, Volker Springel, Anirban Jana, Jeffrey Gardner. Terapixel Imaging of Cosmological Simulations. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2011; 197 (2): 18 DOI: 10.1088/0067-0049/197/2/18

Sumber : FaktaIlmiah.com, 13 Desember 2011