"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
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
