Dalam beberapa dekade terakhir, para astronom telah dapat melihat lebih jauh ke Alam Semesta (dan juga ke masa lalu), hampir sampai ke permulaan Alam Semesta. Dengan melakukan hal itu, mereka telah belajar banyak tentang beberapa galaksi paling awal di Alam Semesta dan evolusi mereka selanjutnya. Namun, masih ada beberapa hal yang masih terlarang, seperti ketika galaksi dengan lubang hitam supermasif (SMBH) dan jet besar pertama kali muncul.
Menurut penelitian terbaru dari International School for Advanced Studies (SISSA) dan tim astronom dari Jepang dan Taiwan memberikan wawasan baru tentang bagaimana lubang hitam supermasif mulai terbentuk hanya 800 juta tahun setelah Big Bang, dan jet relativistik kurang dari 2 miliar tahun. setelah. Hasil-hasil ini adalah bagian dari kasus yang berkembang yang menunjukkan bagaimana benda-benda besar di Alam Semesta kita terbentuk lebih cepat dari yang kita kira.
Para astronom telah mengetahui tentang SMBH selama lebih dari setengah abad. Akhirnya, mereka menyadari bahwa sebagian besar galaksi besar (termasuk Bima Sakti) memilikinya di inti mereka. Peran yang mereka mainkan dalam evolusi galaksi juga telah menjadi subjek penelitian, dengan para astronom modern menyimpulkan bahwa mereka secara langsung berkaitan dengan laju pembentukan bintang di galaksi.
Demikian pula, para astronom menemukan bahwa SMBH memiliki cakram akresi yang ketat di sekitar mereka di mana gas dan debu dipercepat mendekati kecepatan cahaya. Hal ini menyebabkan pusat beberapa galaksi menjadi sangat terang - apa yang dikenal sebagai nukleus galaksi aktif (AGN) - sehingga mereka mengungguli bintang-bintang di cakram mereka. Dalam beberapa kasus, piringan akresi ini juga mengarah ke semburan bahan panas yang dapat dilihat dari miliaran tahun cahaya.
Menurut model konvensional, galaksi tidak memiliki cukup waktu untuk mengembangkan lubang hitam pusat ketika alam semesta berusia kurang dari satu miliar tahun (sekitar 13 miliar tahun lalu). Namun, pengamatan terbaru menunjukkan bahwa lubang hitam sudah terbentuk di pusat galaksi pada saat itu. Mengatasi hal ini, tim ilmuwan dari SISSA mengusulkan model baru yang menawarkan penjelasan yang mungkin.
Untuk studi mereka, yang dipimpin oleh Lumen Boco - gelar Ph.D. mahasiswa dari Institut Fisika Dasar Alam Semesta (IFPU) - tim memulai dengan fakta yang terkenal bahwa SMBH tumbuh di daerah pusat galaksi awal. Objek-objek ini, nenek moyang galaksi elips saat ini, memiliki konsentrasi gas yang sangat tinggi dan laju pembentukan bintang baru yang sangat kuat.
Generasi pertama bintang di galaksi ini berumur pendek dan dengan cepat berevolusi menjadi lubang hitam yang relatif kecil, tetapi jumlahnya signifikan. Gas padat yang mengelilingi mereka menyebabkan gesekan dinamis yang signifikan dan menyebabkan mereka bermigrasi dengan cepat ke pusat galaksi. Di sinilah mereka bergabung untuk membuat benih lubang hitam supermasif - yang perlahan-lahan tumbuh seiring waktu.
Seperti yang dijelaskan tim peneliti dalam siaran pers SISS baru-baru ini:
"Menurut teori klasik, sebuah lubang hitam supermasif tumbuh di pusat galaksi yang menangkap materi di sekitarnya, terutama gas," menumbuhkannya "pada dirinya sendiri dan akhirnya melahapnya pada ritme yang sebanding dengan massanya. Karena alasan ini, selama fase awal pengembangannya, ketika massa lubang hitam kecil, pertumbuhannya sangat lambat. Sejauh itu, menurut perhitungan, untuk mencapai massa yang diamati, miliaran kali lipat dari Matahari, waktu yang sangat lama akan dibutuhkan, bahkan lebih besar dari usia Alam Semesta muda. ”
Namun, model matematika asli yang mereka kembangkan menunjukkan bahwa proses pembentukan lubang hitam pusat bisa sangat cepat pada fase awalnya. Ini tidak hanya menawarkan penjelasan tentang keberadaan benih SMBH di Semesta awal tetapi juga menyelaraskan waktu pertumbuhan mereka dengan usia Semesta yang diketahui.
Singkatnya, penelitian mereka menunjukkan bahwa proses migrasi dan merger lubang hitam awal dapat mengarah pada penciptaan benih SMBH 10.000 hingga 100.000 massa matahari hanya dalam 50-100 juta tahun. Seperti yang dijelaskan tim:
“Pertumbuhan lubang hitam pusat sesuai dengan pertambahan langsung gas yang disebutkan di atas, yang dibayangkan oleh teori standar, akan menjadi sangat cepat, karena jumlah gas yang akan berhasil menarik dan menyerap akan menjadi sangat besar, dan dominan pada proses yang kami usulkan. Namun demikian, tepatnya fakta mulai dari benih besar seperti yang dibayangkan oleh mekanisme kami mempercepat pertumbuhan global lubang hitam supermasif dan memungkinkan pembentukannya, juga di Semesta Muda. Singkatnya, mengingat teori ini, kita dapat menyatakan bahwa 800 juta tahun setelah Big Bang lubang hitam supermasif sudah dapat mengisi Cosmos. ”
Selain mengusulkan model kerja untuk benih SMBH yang diamati, tim juga menyarankan metode untuk mengujinya. Di satu sisi, ada gelombang gravitasi yang menyebabkan merger ini, yang dapat diidentifikasi menggunakan detektor gelombang gravitasi seperti Advanced LIGO / Virgo dan ditandai oleh Teleskop Einstein masa depan.
Selain itu, fase pengembangan selanjutnya dari SMBH adalah sesuatu yang dapat diselidiki oleh misi seperti ESA's Laser Interferometer Space Antenna (LISA), yang diperkirakan akan diluncurkan sekitar tahun 2034. Dengan nada yang sama, tim astronom lain baru-baru ini menggunakan Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) untuk mengatasi misteri lain tentang galaksi, itulah sebabnya beberapa memiliki jet dan yang lainnya tidak.
Aliran materi terionisasi yang bergerak cepat ini, yang bergerak dengan kecepatan relativistik (sebagian kecil dari kecepatan cahaya), telah diamati berasal dari pusat beberapa galaksi. Jet-jet ini telah dikaitkan dengan laju pembentukan bintang di galaksi karena cara mereka mengeluarkan materi yang kalau tidak akan runtuh untuk membentuk bintang-bintang baru. Dengan kata lain, jet-jet ini berperan dalam evolusi galaksi, seperti halnya SMBH.
Untuk alasan ini, para astronom telah berusaha untuk belajar lebih banyak tentang bagaimana jet lubang hitam dan awan gas berinteraksi dari waktu ke waktu. Sayangnya, sulit untuk mengamati interaksi semacam ini selama Semesta awal. Menggunakan Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), tim astronom berhasil mendapatkan gambar terselesaikan pertama dari awan gas terganggu yang berasal dari quasar yang sangat jauh.
Studi yang menggambarkan temuan mereka, yang dipimpin oleh Prof. Kaiki Taro Inoue dari Universitas Kindai, baru-baru ini muncul di Surat Jurnal Astrofisika. Seperti dijelaskan Inoue dan rekan-rekannya, data ALMA mengungkapkan jet bipolar muda yang berasal dari MG J0414 + 0534, sebuah quasar yang terletak sekitar 11 miliar tahun cahaya dari Bumi. Temuan ini menunjukkan bahwa galaksi dengan SMBH dan jet ada ketika Big Bang berusia kurang dari 3 miliar tahun.
Selain ALMA, tim bergantung pada teknik yang dikenal sebagai pelensaan gravitasi, di mana gravitasi galaksi yang mengintervensi memperbesar cahaya yang datang dari objek yang jauh. Berkat "teleskop kosmik" dan resolusi tinggi ALMA ini, tim dapat mengamati awan gas yang terganggu di sekitar MG J0414 + 0534 dan menentukan bahwa itu disebabkan oleh jet muda yang berasal dari SMBH di pusat galaksi.
Seperti yang dijelaskan Kouichiro Nakanishi, associate professor di National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, dalam siaran pers ALMA:
“Menggabungkan teleskop kosmik ini dan pengamatan resolusi tinggi ALMA, kami memperoleh penglihatan yang sangat tajam, yaitu 9.000 kali lebih baik daripada penglihatan manusia. Dengan resolusi sangat tinggi ini, kami dapat memperoleh distribusi dan gerakan awan gas di sekitar jet yang dikeluarkan dari lubang hitam supermasif. ”
Pengamatan ini juga menunjukkan bahwa gas itu terkena dampak di mana ia mengikuti arah jet, menyebabkan partikel bergerak keras dan menjadi dipercepat dengan kecepatan hingga 600 km / s (370 mps). Terlebih lagi, awan-awan gas yang terimbas dan jet-jet itu sendiri jauh lebih kecil daripada ukuran galaksi pada zaman ini.
Dari sini, tim menyimpulkan bahwa mereka menyaksikan fase evolusi jet yang sangat awal di galaksi J0414 + 0534. Jika benar, pengamatan ini memungkinkan tim untuk menyaksikan proses evolusi kunci di galaksi selama alam semesta awal. Seperti yang dirangkum Inoue:
“MG J0414 + 0534 adalah contoh yang sangat baik karena para pemuda jet. Kami menemukan bukti nyata interaksi signifikan antara jet dan awan gas bahkan dalam fase evolusi awal dari jet. Saya pikir penemuan kami akan membuka jalan bagi pemahaman yang lebih baik tentang proses evolusi galaksi di alam semesta awal. "
Bersama-sama, penelitian ini menunjukkan bahwa dua fenomena astronomi paling kuat di Semesta muncul lebih awal dari yang diperkirakan. Penemuan ini juga memberi para astronom peluang untuk mengeksplorasi bagaimana fenomena ini berevolusi dari waktu ke waktu, dan peran yang mereka mainkan dalam evolusi Semesta.
