Lubang hitam adalah salah satu kekuatan alam yang paling menakjubkan dan misterius. Pada saat yang sama, mereka sangat mendasar bagi pemahaman kita tentang astrofisika. Lubang hitam tidak hanya merupakan hasil dari bintang-bintang besar yang menjadi supernova di akhir kehidupan mereka, mereka juga merupakan kunci bagi pemahaman kita tentang Relativitas Umum dan diyakini telah memainkan peran dalam evolusi kosmik.
Karena itu, para astronom dengan rajin berusaha membuat sensus lubang hitam di galaksi Bima Sakti selama bertahun-tahun. Namun, penelitian baru menunjukkan bahwa para astronom mungkin telah mengabaikan seluruh kelas lubang hitam. Ini berasal dari penemuan baru-baru ini di mana tim astronom mengamati lubang hitam yang hanya lebih dari tiga massa Matahari, menjadikannya lubang hitam terkecil yang ditemukan hingga saat ini.
Penelitian tersebut, "Sistem biner bintang raksasa lubang hitam tanpa massa rendah", baru-baru ini muncul di jurnal Ilmu. Tim yang bertanggung jawab dipimpin oleh para astronom dari Ohio State University dan termasuk anggota dari Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, The Observatories dari Carnegie Institution for Science, Dark Cosmology Center, dan beberapa observatorium dan universitas.
Penemuan ini sangat penting karena mengidentifikasi objek yang sebelumnya tidak diketahui oleh ahli astrofisika. Akibatnya, para ilmuwan sekarang dipaksa untuk mempertimbangkan kembali apa yang mereka pikir tahu tentang populasi lubang hitam di galaksi kita. Sebagaimana Todd Thompson, seorang profesor astronomi di The Ohio State University dan penulis utama studi ini, menjelaskan:
“Kami menunjukkan petunjuk ini bahwa ada populasi lain di luar sana yang kami belum benar-benar menyelidiki dalam mencari lubang hitam. Orang-orang mencoba memahami ledakan supernova, bagaimana bintang-bintang hitam supermasif meledak, bagaimana unsur-unsur terbentuk dalam bintang-bintang supermasif. Jadi jika kita bisa mengungkap populasi baru dari lubang hitam, itu akan memberi tahu kita lebih banyak tentang bintang mana yang meledak, mana yang membentuk lubang hitam, yang membentuk bintang neutron. Itu membuka bidang studi baru. ”
Karena pengaruh yang mereka miliki atas ruang dan waktu, para astronom telah lama mencari lubang hitam dan bintang neutron. Karena mereka juga merupakan hasil ketika bintang mati, mereka juga dapat memberikan informasi tentang siklus kehidupan bintang dan bagaimana unsur-unsur terbentuk. Untuk melakukan itu, para astronom pertama-tama perlu menentukan di mana lubang hitam berada di galaksi kita, yang mengharuskan mereka tahu apa yang harus dicari.
Salah satu cara untuk menemukannya adalah dengan mencari sistem biner, di mana dua bintang terkunci di orbit satu sama lain karena gravitasi timbal baliknya. Ketika salah satu dari bintang-bintang ini mengalami keruntuhan gravitasi di dekat akhir masa hidupnya, ia akan runtuh untuk membentuk bintang neutron atau lubang hitam. Jika bintang pendampingnya telah mencapai Fase Cabang Merah (RBP) dari evolusinya, ia akan berkembang pesat.
Ekspansi ini akan menghasilkan raksasa merah menjadi subyek lubang hitam atau pendamping bintang neutron. Ini akan menghasilkan material yang ditarik dari permukaan bekas dan perlahan-lahan dikonsumsi oleh yang terakhir. Hal ini dibuktikan dengan panas dan sinar-x yang dipancarkan ketika bahan dari bintang tersebut bertambah ke teman lubang hitamnya.
Sampai sekarang, semua lubang hitam di galaksi kita yang diidentifikasi oleh para astronom adalah antara lima dan lima belas massa matahari. Sebaliknya, bintang-bintang neutron umumnya tidak lebih besar dari sekitar 2,1 massa matahari, karena apa pun yang lebih besar dari 2,5 massa matahari akan runtuh untuk membentuk lubang hitam. Ketika LIGO dan Virgo bersama-sama mendeteksi gelombang gravitasi yang disebabkan oleh merger lubang hitam, mereka masing-masing adalah 31 dan 25 massa matahari.
Ini menunjukkan bahwa lubang hitam dapat terjadi di luar apa yang dianggap para astronom sebagai kisaran normal. Seperti yang dikatakan Thompson:
“Segera, semua orang menyukai‘ wow, ’karena itu adalah hal yang sangat spektakuler. Bukan hanya karena terbukti bahwa LIGO bekerja, tetapi karena massa sangat besar. Lubang hitam seukuran itu adalah masalah besar - kami belum pernah melihatnya sebelumnya. "
Penemuan ini mengilhami Thompson dan rekan-rekannya untuk mempertimbangkan kemungkinan bahwa mungkin ada benda yang belum ditemukan yang berada di antara bintang-bintang neutron terbesar dan lubang hitam terkecil. Untuk menyelidiki ini, mereka mulai menggabungkan data dari Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) - survei astronomi yang mengumpulkan spektrum dari sekitar 100.000 bintang di seluruh galaksi.
Thompson dan rekan-rekannya memeriksa spektrum ini untuk melihat tanda-tanda perubahan yang akan menunjukkan jika bintang mungkin mengorbit di sekitar objek lain. Khususnya, jika sebuah bintang menunjukkan tanda-tanda pergeseran Doppler - di mana spektrumnya akan berganti-ganti antara bergeser ke ujung yang lebih biru dan kemudian panjang gelombang yang lebih merah - ini akan menjadi indikasi bahwa ia mungkin mengorbit teman yang tak terlihat.
Metode ini adalah salah satu cara paling efektif dan populer untuk menentukan apakah sebuah bintang memiliki sistem planet yang mengorbit. Saat planet mengorbit bintang, mereka mengerahkan gaya gravitasi di atasnya yang menyebabkannya bergerak bolak-balik. Pergeseran yang sama ini digunakan oleh Thompson dan rekan-rekannya untuk menentukan apakah ada bintang APOGEE yang mengorbit lubang hitam.
Itu dimulai dengan Thompson mempersempit data APOGEE menjadi 200 kandidat yang terbukti paling menarik. Dia kemudian memberikan data tersebut kepada Tharindu Jayasinghe (seorang associate associate research di Ohio State) yang kemudian menggunakan data dari All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) - yang dijalankan oleh OSU dan menemukan lebih dari 1.000 supernova - untuk menyusun ribuan gambar masing-masing kandidat.
Ini mengungkapkan bintang merah raksasa yang tampaknya mengorbit sesuatu yang jauh lebih kecil dari lubang hitam yang dikenal, tetapi jauh lebih besar dari bintang neutron yang dikenal. Setelah menggabungkan hasilnya dengan data tambahan dari Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph (TRES) dan satelit Gaia, mereka menyadari bahwa mereka telah menemukan lubang hitam kira-kira 3,3 kali massa Matahari.
Hasil ini tidak hanya mengkonfirmasi keberadaan kelas baru lubang hitam bermassa rendah, tetapi juga menyediakan metode baru untuk menemukan mereka. Seperti yang dijelaskan Thompson:
“Apa yang kami lakukan di sini adalah menemukan cara baru untuk mencari lubang hitam, tetapi kami juga berpotensi mengidentifikasi salah satu yang pertama dari kelas baru lubang hitam bermassa rendah yang sebelumnya tidak diketahui oleh para astronom. Massa benda memberi tahu kita tentang pembentukan dan evolusi mereka, dan mereka memberi tahu kita tentang sifat mereka. "
