Berkat kemampuan yang jauh lebih baik dari teleskop saat ini, para astronom telah menyelidiki lebih dalam ke kosmos dan semakin jauh ke masa lalu. Dengan melakukan hal itu, mereka dapat membahas beberapa misteri yang sudah lama ada tentang bagaimana Semesta berevolusi sejak Big Bang. Salah satu misteri ini adalah bagaimana lubang hitam supermasif (SMBH), yang memainkan peran penting dalam evolusi galaksi, terbentuk pada awal Semesta.
Menggunakan Teleskop Sangat Besar ESO (VLT) di Chili, tim astronom internasional mengamati galaksi ketika galaksi itu muncul sekitar 1,5 miliar tahun setelah Big Bang (sekitar 12,5 miliar tahun lalu). Anehnya, mereka mengamati reservoir besar gas hidrogen dingin yang bisa menyediakan "sumber makanan" yang cukup untuk SMBH. Hasil ini bisa menjelaskan bagaimana SMBH tumbuh begitu cepat selama periode yang dikenal sebagai Fajar Kosmik.
Tim ini dipimpin oleh Dr. Emanuele Paolo Farina dari Institut Max Planck untuk Astronomi (MPIA) dan Institut Max Planck untuk Astrofisika (MPA). Dia bergabung dengan para peneliti dari MPIA dan MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics dan Space Science Observatory of Bologna, dan Institut Max Planck untuk Fisika Extraterrestrial Fisika (MPEP).
Selama beberapa dekade, para astronom telah mempelajari SMBH, yang ada di inti sebagian besar galaksi dan diidentifikasi oleh Nuclei Active Galatic (AGN). Nuklei ini, yang juga dikenal sebagai quasar, dapat memancarkan lebih banyak energi dan cahaya daripada gabungan bintang-bintang di galaksi. Sampai saat ini, yang paling jauh diamati adalah ULAS J1342 + 0928, yang terletak 13,1 miliar tahun cahaya.
Mengingat bahwa bintang-bintang pertama diperkirakan telah terbentuk hanya 100.000 tahun setelah Big Bang (sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu), ini berarti bahwa SMBH harus terbentuk dengan cepat dari bintang-bintang pertama untuk mati. Namun, sampai sekarang, para astronom belum menemukan debu dan gas dalam jumlah yang cukup tinggi selama Semesta awal untuk menjelaskan pertumbuhan yang cepat ini.
Selain itu, pengamatan sebelumnya yang dilakukan dengan Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) mengungkapkan bahwa galaksi awal mengandung banyak debu dan gas, yang memicu pembentukan bintang yang cepat. Temuan ini menunjukkan bahwa tidak akan ada banyak bahan yang tersisa untuk memberi makan lubang hitam, yang hanya memperdalam misteri bagaimana mereka juga tumbuh begitu cepat.
Untuk mengatasinya, Farina dan rekan-rekannya mengandalkan data yang dikumpulkan oleh instrumen VLT's Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) untuk mensurvei 31 quasar pada jarak sekitar 12,5 miliar tahun cahaya (sehingga mengamati seperti apa bentuknya 12,5 miliar tahun yang lalu). Ini menjadikan survei mereka sebagai salah satu sampel quasar terbesar dari periode awal Semesta ini. Apa yang mereka temukan adalah 12 awan hidrogen yang memanjang dan mengejutkan.
Awan hidrogen ini diidentifikasi oleh cahaya karakteristik mereka dalam cahaya UV. Mengingat jarak dan efek pergeseran merah (di mana panjang gelombang cahaya direntangkan karena ekspansi kosmik), teleskop yang membumi menganggap cahaya sebagai cahaya merah. Seperti yang dijelaskan Farina dalam siaran pers MPIA:
“Penjelasan yang paling mungkin untuk gas yang bersinar adalah mekanisme fluoresensi. Hidrogen mengubah radiasi quasar yang kaya energi menjadi cahaya dengan panjang gelombang tertentu, yang dapat dilihat oleh cahaya.”
Awan hidrogen yang dingin dan padat - yang beberapa miliar kali massa Matahari - membentuk lingkaran cahaya di sekitar galaksi awal yang memanjang selama 100.000 tahun cahaya dari lubang hitam pusat. Biasanya, mendeteksi awan seperti itu di sekitar quasar (yang sangat terang) agak sulit. Namun berkat sensitivitas instrumen MUSE - yang Farina gambarkan sebagai "pengubah permainan" - tim menemukannya dengan cepat.
As Alyssa Drake, seorang peneliti di MPIA yang juga berkontribusi dalam penelitian ini, mengatakan:
“Dengan penelitian saat ini, kami baru saja mulai menyelidiki bagaimana lubang hitam supermasif pertama dapat berkembang begitu cepat. Tetapi instrumen baru seperti MUSE dan James Webb Space Telescope di masa depan membantu kita untuk memecahkan teka-teki yang menarik ini.”
Tim menemukan bahwa lingkaran gas ini terikat erat dengan galaksi, memberikan "sumber makanan" yang sempurna untuk mempertahankan pembentukan bintang yang cepat dan pertumbuhan lubang hitam supermasif. Pengamatan ini secara efektif menyelesaikan misteri tentang bagaimana lubang hitam supermasif bisa ada begitu awal dalam sejarah Semesta. Seperti yang dirangkum Farina:
“Kami sekarang dapat menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa galaksi purba memiliki cukup makanan di lingkungan mereka untuk menopang pertumbuhan lubang hitam supermasif dan pembentukan bintang yang kuat.. Ini menambah potongan mendasar pada teka-teki yang sedang dibangun oleh para astronom untuk menggambarkan bagaimana struktur kosmik terbentuk lebih dari 12 miliar tahun yang lalu.”
Di masa depan, para astronom akan memiliki instrumen yang lebih canggih yang dapat digunakan untuk mempelajari galaksi dan SMBH di awal Semesta, yang seharusnya mengungkapkan lebih banyak detail tentang awan gas purba. Ini termasuk ESO's Extremely Large Telescope (ELT), serta teleskop berbasis ruang seperti James Webb Space Telescope (JWST).
Studi yang menggambarkan temuan tim muncul dalam edisi 20 Desember 2008 Jurnal Astrofisika.
