Gambar ini menunjukkan rendering artis dari bagian dalam quasar yang didukung oleh lubang hitam supermasif di tengah. Saat cakram gas dan debu jatuh ke dalam lubang hitam, suhu tinggi menciptakan cahaya. Perbedaan cahaya ini dapat membantu para astronom mengukur massa lubang hitam.
(Gambar: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / kolaborasi SDSS)
Lubang hitam monster bersembunyi di pusat sebagian besar galaksi di alam semesta, dan sekarang, teknik baru membantu para ilmuwan mengukur massa beberapa lubang hitam terbesar di alam semesta, bahkan ketika mereka berada di pusat galaksi yang sangat redup, jauh. galaksi. Pendekatan baru dapat secara dramatis meningkatkan pemahaman para ilmuwan tentang bagaimana raksasa ini terbentuk dan berevolusi, dan bagaimana mereka mempengaruhi evolusi galaksi.
"Ini adalah pertama kalinya kami mengukur massa secara langsung untuk begitu banyak lubang hitam supermasif sejauh ini," kata Catherine Grier, seorang postdoctoral di Penn State, dalam sebuah pernyataan dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier memimpin sebuah proyek untuk mengukur massa kekayaan yang disebut lubang hitam supermasif menggunakan data SDSS. Dia melaporkan hasilnya Selasa (9 Januari) pada pertemuan American Astronomical Society di National Harbor, Maryland.
"Pengukuran baru ini, dan pengukuran di masa depan seperti mereka, akan memberikan informasi penting bagi orang yang mempelajari bagaimana galaksi tumbuh dan berevolusi sepanjang waktu kosmik," kata Grier. [Gambar: Lubang Hitam Alam Semesta]
Lubang hitam berukuran besar
Berdasarkan pengamatan galaksi selama beberapa dekade, para astronom sekarang berteori bahwa jantung hampir setiap galaksi besar berisi lubang hitam supermasif (SMBH). Binatang buas ini bisa jutaan atau miliaran kali lebih besar dari matahari Bumi. Lubang hitam tidak memancarkan atau memantulkan cahaya, sehingga SMBH ini tidak dapat dilihat secara langsung. Tetapi karena gravitasi sebuah SMBH menarik debu dan gas dari galaksi di sekitarnya, ia menciptakan cakram materi yang berputar-putar yang jatuh ke dalam lubang hitam. Materi yang memanas itu mulai memanas dan mulai memancarkan cahaya, membuat lubang hitam itu "terlihat" (walaupun secara tidak langsung). Dalam beberapa kasus, cahaya dari cakram-cakram ini menjadi lebih terang daripada semua bintang di galaksi; galaksi yang sangat terang ini kemudian disebut nukleus galaksi aktif (AGN). AGN paling terang disebut quasar, yang dapat dilihat para astronom di seluruh penjuru dunia; mereka menunjukkan adanya lubang hitam supermasif, menurut pernyataan itu.
Lubang hitam hanya memiliki tiga sifat yang dapat diukur - massa, putaran, dan muatan - sehingga menghitung massa merupakan bagian yang sangat besar untuk memahami lubang hitam individual. Di galaksi terdekat, para astronom dapat mengamati bagaimana sekelompok bintang dan gas bergerak di sekitar pusat galaksi dan menggunakan gerakan itu untuk menyimpulkan massa lubang hitam pusat. Tetapi galaksi jauh terletak begitu jauh sehingga teleskop tidak dapat menyelesaikan bintang dan awan materi di sekitar lubang hitam, menurut pernyataan itu.
Sebuah teknik yang dikenal sebagai pemetaan gema telah memungkinkan para astronom untuk mengukur massa lubang hitam terpencil ini. Pertama, para peneliti membandingkan kecerahan gas yang memancar di wilayah luar galaksi dengan kecerahan gas yang ditemukan di wilayah bagian dalam galaksi. (Wilayah bagian dalam ini, sangat dekat dengan lubang hitam, dikenal sebagai wilayah kontinum). Gas di wilayah kontinum mempengaruhi gas yang bergerak lebih cepat. Namun, cahaya membutuhkan waktu untuk melakukan perjalanan keluar, atau bergema, menyebabkan penundaan antara perubahan yang terlihat di wilayah dalam dan efeknya pada wilayah luar. Mengukur penundaan menunjukkan seberapa jauh cakram gas luar dari lubang hitam. Ditambah dengan tingkat rotasi di sekitar galaksi, ini memungkinkan para astronom untuk mengukur massa SMBH, kata Grier kepada Space.com dalam sebuah email.
Tetapi prosesnya lambat sekali. Untuk mengamati efek gema, sebuah galaksi individu harus dipelajari berulang-ulang selama beberapa bulan, sementara quasar yang jauh dapat membutuhkan beberapa tahun pengamatan berulang, kata para peneliti dalam pernyataan itu. Selama 20 tahun terakhir, para astronom telah berhasil menggunakan teknik gema hanya untuk sekitar 60 SMBH di galaksi terdekat dan beberapa quasar yang jauh.
Sebagai bagian dari Proyek Pemetaan Gema SDSS, Grier dan rekan-rekannya telah mulai memetakan SMBH lebih cepat dari sebelumnya. Kunci untuk pemetaan yang lebih cepat ini berasal dari teleskop pandangan lebar khusus proyek, yang terletak di Apache Point Observatory di Sunspot, New Mexico, yang dapat mengumpulkan data pada beberapa quasar pada saat yang sama, menurut Grier. Saat ini sedang mengamati sepetak langit yang berisi sekitar 850 quasar.
Para peneliti mengamati quasar dengan Teleskop Kanada-Prancis-Hawaii di Hawaii dan Teleskop Bok Observasi Steward di Arizona untuk mengkalibrasi pengukuran benda-benda yang sangat redup. Secara total, para peneliti sekarang telah mengukur keterlambatan waktu gema untuk 44 quasar, dan mereka menggunakan pengukuran itu untuk menghitung massa lubang hitam mulai dari 5 juta hingga 1,7 miliar kali massa matahari Bumi, menurut pernyataan itu.
"Ini adalah langkah besar bagi sains quasar," Aaron Barth, seorang profesor astronomi di University of California, Irvine, yang tidak terlibat dalam penelitian tim, mengatakan dalam pernyataan itu. "Mereka telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa pengukuran sulit ini dapat dilakukan dalam mode produksi massal."
Pengukuran baru meningkatkan jumlah total pengukuran massa SMBH galaksi sekitar dua pertiga. Karena banyak dari galaksi-galaksi itu sangat jauh, pengukuran baru mengungkapkan massa SMBH dari masa lalu, hingga ketika alam semesta hanya setengah dari usia saat ini.
Dengan terus mengamati 850 quasar dengan teleskop SDSS selama beberapa tahun, tim akan mengumpulkan data bertahun-tahun yang akan memungkinkan mereka untuk mengukur massa quasar yang lebih redup, yang penundaan waktu yang lebih lama tidak dapat diukur dengan data satu tahun.
"Mendapatkan pengamatan quasar selama beberapa tahun sangat penting untuk mendapatkan pengukuran yang baik," kata Yue Shen, asisten profesor di University of Illinois dan penyelidik utama Proyek Pemetaan Gema SDSS. "Ketika kami melanjutkan proyek kami untuk memantau semakin banyak quasar untuk tahun-tahun mendatang, kami akan dapat lebih memahami bagaimana lubang hitam supermasif tumbuh dan berkembang."
Setelah fase keempat SDSS saat ini berakhir pada tahun 2020, fase kelima, SDSS-V, akan dimulai. SDSS-V menampilkan program baru yang disebut Black Hole Mapper, di mana para peneliti berencana untuk mengukur massa SMBH di lebih dari 1.000 quasar, mengamati quasar yang lebih redup dan lebih tua daripada yang pernah dikelola oleh proyek pemetaan gema mana pun.
"The Black Hole Mapper akan membiarkan kita bergerak ke zaman pemetaan gema lubang hitam supermasif pada skala industri yang sebenarnya," Niel Brandt, seorang profesor astronomi dan astrofisika di Penn State dan anggota lama SDSS, mengatakan dalam pernyataan itu. "Kita akan belajar lebih banyak tentang benda-benda misterius ini daripada sebelumnya."
