Apa yang memberi makan lubang hitam awal memungkinkan pertumbuhan yang sangat cepat? Sebuah penemuan baru yang dibuat oleh para peneliti di Carnegie Mellon University menggunakan kombinasi simulasi superkomputer dan teknologi GigaPan Time Machine menunjukkan bahwa diet "makanan cepat saji" kosmik (aliran tipis gas dingin) mengalir tak terkendali ke pusat lubang hitam pertama, menyebabkan mereka menjadi "sangat besar" dan tumbuh lebih cepat dari apa pun di Semesta.
Ketika Alam Semesta kita masih muda, kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang, galaksi baru mulai terbentuk dan tumbuh. Menurut teori sebelumnya, lubang hitam pada waktu itu seharusnya sama kecilnya. Data dari Sloan Digital Sky Survey telah menunjukkan bukti sebaliknya - lubang hitam supermasif sudah ada sejak 700 juta tahun setelah Big Bang.
“Survei Langit Digital Sloan menemukan lubang hitam supermasif kurang dari 1 miliar tahun. Ukurannya sama dengan lubang hitam paling masif saat ini, yang berusia 13,6 miliar tahun, ”kata Tiziana Di Matteo, profesor fisika (Carnegie Mellon University). “Itu teka-teki. Mengapa beberapa lubang hitam terbentuk begitu dini ketika dibutuhkan seluruh usia Semesta bagi orang lain untuk mencapai massa yang sama? "
Lubang hitam supermasif adalah lubang hitam terbesar yang ada - beratnya miliaran kali lipat dari Matahari. Kebanyakan lubang hitam "normal" hanya sekitar 30 kali lebih besar dari Matahari. Mekanisme yang diterima saat ini untuk pembentukan lubang hitam supermasif adalah melalui merger galaksi. Satu masalah dengan teori ini dan bagaimana penerapannya pada lubang hitam supermasif awal adalah bahwa pada awal Semesta, tidak ada banyak galaksi, dan mereka terlalu jauh satu sama lain untuk bergabung.
Rupert Croft, profesor fisika (Carnegie Mellon University) berkomentar, "Jika Anda menulis persamaan untuk bagaimana galaksi dan lubang hitam terbentuk, tampaknya tidak mungkin bahwa massa besar ini dapat terbentuk secepat itu, Tapi kita melihat ke langit dan mereka disana."
Dalam upaya untuk memahami proses yang membentuk lubang hitam supermasif awal, Di Matteo, Croft dan Khandai menciptakan MassiveBlack - simulasi kosmologis terbesar hingga saat ini. Tujuan MassiveBlack adalah untuk secara akurat mensimulasikan miliaran tahun pertama alam semesta kita. Menjelaskan MassiveBlack, Di Matteo berkomentar, “Simulasi ini benar-benar raksasa. Ini adalah yang terbesar dalam hal tingkat fisika dan volume aktual. Kami melakukan itu karena kami tertarik untuk melihat hal-hal langka di alam semesta, seperti lubang hitam pertama. Karena mereka sangat langka, Anda perlu mencari lebih banyak ruang ”.
Croft dan tim memulai simulasi menggunakan model kosmologi yang diketahui berdasarkan teori dan hukum fisika modern. "Kami tidak membuat sesuatu yang gila. Tidak ada fisika sihir, tidak ada barang tambahan. Ini adalah fisika yang sama yang membentuk galaksi dalam simulasi alam semesta nanti, "kata Croft. "Tapi secara ajaib, quasar awal ini, seperti yang telah diamati, muncul. Kami tidak tahu mereka akan muncul. Sungguh menakjubkan mengukur massa mereka dan pergi go Wow! Ini adalah ukuran tepat yang tepat dan muncul tepat pada titik waktu yang tepat. "Ini adalah kisah sukses bagi teori kosmologi modern."
Data dari MassiveBlack ditambahkan ke proyek Mesin Waktu GigaPan. Dengan menggabungkan data MassiveBlack dengan proyek GigaPan Time Machine, para peneliti dapat melihat simulasi seolah-olah itu adalah film - dengan mudah menggeser seluruh alam semesta yang disimulasikan saat terbentuk. Ketika tim memperhatikan peristiwa yang tampak menarik, mereka juga dapat memperbesar untuk melihat peristiwa secara lebih rinci daripada apa yang dapat mereka lihat di alam semesta kita sendiri dengan teleskop darat atau ruang angkasa.
Ketika tim memperbesar penciptaan lubang hitam supermasif pertama, mereka melihat sesuatu yang tak terduga. Pengamatan normal menunjukkan bahwa ketika gas dingin mengalir menuju lubang hitam itu dipanaskan dari tabrakan dengan molekul gas terdekat lainnya, kemudian mendingin sebelum memasuki lubang hitam. Dikenal sebagai 'pemanasan kejutan', proses seharusnya menghentikan lubang hitam awal dari mencapai massa yang diamati. Sebagai gantinya, tim tersebut mengamati aliran tipis gas padat dingin yang mengalir di sepanjang 'filamen' yang terlihat dalam survei skala besar yang mengungkapkan struktur alam semesta kita. Filamen memungkinkan gas mengalir langsung ke pusat lubang hitam dengan kecepatan luar biasa, memberikan mereka makanan dingin dan cepat. Konsumsi yang stabil, tetapi tidak terkendali memberikan mekanisme bagi black hole untuk tumbuh pada tingkat yang jauh lebih cepat daripada galaksi inangnya.
Temuan ini akan dipublikasikan dalam Astrophysical Journal Letters.
Jika Anda ingin membaca lebih lanjut, lihat makalah di bawah ini (melalui Fisika arXiv):
Pencitraan Terapixel dari Simulasi Kosmologis
Pembentukan Galaksi Hosting z ~ 6 Quasar
Lubang Hitam Awal dalam Simulasi Kosmologis
Arus Dingin dan Quasar Pertama
Pelajari lebih lanjut tentang Gigapan dan MassiveBlack di: http://gigapan.org/gigapans/76215/ dan http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Sumber: Siaran Pers Universitas Carnegie Mellon
