Beberapa Lubang Hitam melepaskan pancaran partikel berenergi tinggi yang sangat terang yang disebut dengan blazar. Melalui bantuan observatorium luar angkasa, para astronom memecahkan misteri cahaya cemerlang yang melibatkan Lubang Hitam raksasa.
Sebagian besar galaksi dibangun di sekitar Lubang Hitam yang sangat besar. Sementara banyak dari Lubang Hitam relatif jinak, seperti yang ada di pusat Bima Sakti kita, beberapa di antaranya ganas, menenggak materi di sekitarnya dan melepaskan pancaran partikel berenergi tinggi yang besar dan sangat terang jauh ke luar angkasa.
Menggunakan data dari observatorium Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) yang mengorbit, para peneliti pada Rabu (30/11) lalu menawarkan penjelasan tentang bagaimana pancaran cahaya jet ini menjadi sangat bercahaya. Partikel subatomik yang disebut elektron menjadi energi oleh gelombang kejut yang bergerak dengan kecepatan supersonik menjauh dari Lubang Hitam.
Menurut para ilmuwan, gelombang kejut pada Lubang Hitam meningkatkan kecepatan partikel sangat drastis. Alhasil, gelombang kejut dan percepatan gerak partikel inilah yang menghasilkan cahaya berenergi sangat tinggi sejak miliaran tahun lalu.
Para peneliti mempelajari blazar, sebuah objek yang sangat eksotis di pusat galaksi elips besar bernama Markarian 501. Jarak galaksi ini sekitar 460 juta tahun cahaya dari Bumi ke arah konstelasi Hercules. Bayangkan satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam setahun atau sejauh 9,5 triliun kilometer.
Blazar adalah subset dari objek yang disebut quasar yang ditenagai oleh Lubang Hitam supermasif. Lubang Hitam jenis ini akan memakan gas dan material lain di pusat galaksi dan mengirimkan dua pancaran partikel dengan arah berlawanan ke luar angkasa.
Blazar berorientasi sedemikian rupa sehingga salah satu dari dua jet mereka dari titik pandang manusia di Bumi langsung menuju ke arah kita. "Blazar adalah objek paling terang di alam semesta yang dapat diamati. Mereka adalah yang paling energik," ucap Yannis Liodakis, astronom dari Pusat Astronomi Finlandia ESO yang juga penulis utama penelitian studi ini.
"Mereka memiliki Lubang Hitam terbesar dan paling menakutkan. Segala sesuatu yang terjadi di sekitar mereka sangat menarik," kata dia dalam laporannya yang diterbitkan dalam jurnal Nature seperti dikutip CNBC News.
Para ilmuwan telah lama berusaha memahami bagaimana jet yang diluncurkan dari blazar menjadi begitu bercahaya dan perilaku partikel di dalamnya, apalagi pancaran dari blazar ini mencapai jarak sekitar satu juta tahun cahaya.
IXPE yang diluncurkan Desember lalu sebagai kolaborasi antara badan antariksa AS NASA dan Badan Antariksa Italia, mengukur kecerahan dan polarisasi sifat cahaya yang melibatkan orientasi gelombang elektromagnetik cahaya sinar-X dari sumber kosmik. Fenomena yang berbeda, seperti gelombang kejut atau turbulensi, menghadirkan "tanda tangan" polarisasi.
Para peneliti menemukan bukti bahwa partikel dalam jet menjadi berenergi saat terkena gelombang kejut yang menyebar ke luar di dalam aliran dan memancarkan sinar-X saat mereka berakselerasi. Gelombang kejut dihasilkan ketika sesuatu bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara melalui media seperti udara seperti yang dilakukan jet supersonik saat terbang melintasi atmosfer Bumi atau wilayah dengan partikel dan medan magnet yang disebut plasma, seperti dalam kasus ini.
"Cahaya yang kita lihat dari pancaran berasal dari elektron," kata astrofisikawan Universitas Boston dan rekan penulis studi bernama Alan Marscher. "Sinar-X dari jenis yang kita amati di Markarian 501 hanya dapat berasal dari elektron berenergi sangat tinggi," ujar dia.
Uji Teori
Kekuatan pendorong di balik fenomena ini adalah Lubang Hitam, objek yang luar biasa padat dengan gravitasi yang sangat kuat sehingga cahaya pun tidak bisa lepas. Lubang Hitam supermasif di pusat Markarian 501 memiliki massa sekitar satu miliar kali massa Matahari kita.
"Lubang Hitam adalah laboratorium unik untuk mempelajari fisika dasar dalam kondisi ekstrem yang tidak dapat kita tiru di Bumi. Namun, sebelum kita dapat menggunakannya seperti itu, kita perlu memahami semua proses fisik yang terjadi. Selama bertahun-tahun kami mengamati cahaya berenergi tinggi dari sumber-sumber itu dan memiliki beberapa teori bagaimana partikel yang memancarkan cahaya itu akan diberi energi," ungkap dia.
"Kemampuan polarisasi sinar-X IXPE memungkinkan kami untuk pertama kalinya menguji teori kami secara langsung," tambah Liodakis.
Selama pengamatan ini, para astronom menggunakan teleskop lain di luar angkasa dan di darat untuk mengumpulkan informasi tentang blazar dalam berbagai panjang gelombang cahaya termasuk radio, optik, dan sinar-X. Sementara penelitian lain telah melihat polarisasi cahaya berenergi rendah dari blazar di masa lalu, ini adalah pertama kalinya para ilmuwan bisa mendapatkan perspektif ini pada sinar-X blazar, yang dipancarkan lebih dekat ke sumber percepatan partikel.
"Proyek yang menarik ini dikoordinasikan secara ahli oleh Yannis Liodakis, yang membuat kami sebagai pengamat di berbagai fasilitas di seluruh dunia tetap up-to-date untuk mengelola tindak lanjut pengumpulan data Xray yang hampir real-time. Dari pihak Caltech, WIRC+pol polarimeter di Palomar menyediakan data NIR pada sumbernya," ucap rekan penulis Gina Panopoulou, seorang profesor di Chalmers University di Swedia.
Para ilmuwan menemukan bahwa sinar-X lebih terpolarisasi daripada optik, yang lebih terpolarisasi daripada radio. Tapi arah cahaya terpolarisasi sama untuk semua panjang gelombang cahaya yang diamati dan juga selaras dengan arah pancaran.
Setelah membandingkan informasi mereka dengan model teoritis, tim astronom internasional menyadari bahwa data tersebut paling cocok dengan skenario di mana gelombang kejut mempercepat partikel jet. Gelombang kejut dihasilkan ketika sesuatu bergerak lebih cepat dari kecepatan suara material di sekitarnya, seperti ketika jet supersonik terbang di atmosfer Bumi.
Saat partikel bergerak ke luar, mereka memancarkan sinar-X terlebih dahulu karena sangat energik. Bergerak lebih jauh ke luar, melalui wilayah turbulen yang lebih jauh dari lokasi guncangan, mereka mulai kehilangan energi, yang menyebabkan mereka memancarkan cahaya yang kurang energik seperti gelombang optik dan gelombang radio. Ini analog dengan bagaimana aliran air menjadi lebih bergejolak setelah bertemu dengan air terjun, tetapi di sini, medan magnet menciptakan turbulensi ini.
Ilmuwan berjanji akan terus mengamati blazar Markarian 501 untuk melihat apakah polarisasi berubah dari waktu ke waktu. IXPE juga akan menyelidiki koleksi blazar yang lebih luas selama misi utamanya selama dua tahun, mengeksplorasi lebih banyak misteri lama tentang alam semesta. hay/I-1
"Blazar", Objek Paling Bercahaya di Langit
Blazar dikenal sebagai bagian dari lubang hitam supermasif (supermassive black-hole/SMBH). Objek ini menjadi jantung bagi galaksi jauh yang menghasilkan pacaran jet berenergi tinggi yang dilihat langsung dari Bumi.
Seperti bentuk inti galaksi aktif (active galactic nuclei/AGN) lainnya, blazar adalah objek paling bercahaya dan energik di alam semesta yang diketahui.
Sementara itu Lubang Hitam supermasif adalah pusat yang menggerakkan inti galaksi aktif adalah benih nukleasi yang merangsang pembentukan galaksi inangnya. Sedangkan lubang hitam supermasif sendiri tumbuh dalam proses tersebut.
Pada lubang hitam supermasif terkonsentrasi materi yang begitu padat sehingga cahaya pun tidak dapat lepas. Kepadatannya berkisar dari ratusan ribu hingga miliaran massa matahari, namun terkonsentrasi atau termampatkan menjadi objek seukuran tata surya.
Mereka adalah benih nukleasi yang menarik gas primordial untuk membentuk galaksi baru dari ratusan miliar bintang dan planetnya, bersama dengan materi gelap, membentuk struktur yang terikat secara gravitasi sehingga dalam semua kasus yang paling ganas, bintang rata-rata dapat menjalani kehidupan multi-miliar tahun.
Blazar yang menjadi bagian dari Lubang Hitam supermasif yang memang berwarna hitam. Yang bersinar adalah cakram akresi (accretion disk/AD) gas yang mengelilingi Lubang Hitam supermasif. Saat gas di cakram akresi berputar ke dalam Lubang Hitam, ia mentransfer momentum sudutnya ke lapisan gas luar yang masuk, memanaskan gas dari pencampuran turbulen yang intens.
Cakram akresi bersinar karena terpanaskan pada suhu yang lebih tinggi dari permukaan matahari. Besarnya mencapai puluhan hingga ratusan kali lebih besar dari tata surya, maka luas permukaan kumulatifnya bercahaya dapat mengungguli seluruh galaksi yang terdiri dari 250 miliar bintang.
Lubang Hitam supermasif tampak berputar, seperti bintang dan galaksi, dan kemungkinan besar berputar lebih jauh dari momentum sudut yang diperoleh dari gas yang mereka makan. Ruang di dekat cakrawala peristiwa di Lubang Hitam supermasif akan "diseret" sebagai akibat dari efek relativistik putaran ini, dan setiap medan magnet dalam gas cakram akresi terionisasi tinggi yang lewat di dekat SMBH kemungkinan besar akan terpelintir dan terjepit dengan keras dalam proses tersebut.
Hal ini diyakini untuk membuat sinar partikel bermuatan yang sangat terkolimasi yang dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya jet energi tinggi relativistik. Akselerator partikel alam sendiri, tetapi pada skala energi dan ukuran galaksi dibandingkan dengan yang dibuat manusia di European Organization for Nuclear Research (CERN).
Blazar memang dapat secara langsung dilihat dari Bumi, namun jaraknya yang sangat jauh membuat objek ini cukup aman. Blazar terdekat dengan bumi ada pada galaksi tetangga Bimasakti yang disebut dengan Messier 87 (M87). Jaraknya dari Bumi sekitar 53 juta tahun cahaya.
Galaksi ini menawarkan bukti pengamatan pertama Lubang Hitam supermasif di inti galaksi dengan menampilkan pancaran partikel ultra relativistik yang menonjol dengan energi sangat besar dengan panjang sekitar 5.000 tahun cahaya. hay/I-1
