Lubang hitam dan quasar terbentuk kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang

Lubang hitam supermasif tampaknya ada di pusat setiap galaksi, berasal dari beberapa galaksi pertama di alam semesta. Kami tidak tahu bagaimana mereka sampai di sana. Seharusnya tidak mungkin bagi mereka untuk tumbuh dari sisa-sisa supernova menjadi ukuran yang sangat besar secepat yang mereka bisa. Kami tidak mengetahui adanya mekanisme lain yang dapat membentuk sesuatu yang cukup besar sehingga pertumbuhan eksponensial tidak diperlukan.

Ketidakmungkinan adanya lubang hitam supermasif di alam semesta awal sudah menjadi masalah; Teleskop Luar Angkasa James Webb memperburuk keadaan dengan menemukan contoh galaksi yang sebelumnya memiliki lubang hitam supermasif. Dalam contoh terbaru, para peneliti menggunakan Webb untuk mengkarakterisasi quasar yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif, yang ada sekitar 750 juta tahun setelah Big Bang. Dan itu terlihat sangat normal.

Melihat ke masa lalu

Quasar adalah objek paling terang di alam semesta, yang secara aktif dipicu oleh lubang hitam supermasif. Galaksi yang mengelilinginya memberi mereka cukup material untuk membentuk piringan akresi terang dan jet kuat, yang keduanya memancarkan radiasi dalam jumlah besar. Sebagiannya sering kali tertutup debu, yang bersinar akibat menyerap sebagian energi yang dipancarkan lubang hitam. Quasar ini memancarkan begitu banyak radiasi sehingga akhirnya mendorong sebagian material di dekatnya keluar dari galaksi seluruhnya.

Jadi, kehadiran fitur-fitur ini di alam semesta awal akan memberi tahu kita bahwa lubang hitam supermasif tidak hanya ada di alam semesta awal, tetapi juga dimasukkan ke dalam galaksi-galaksi seperti yang terjadi saat ini. Namun studi mereka sangat sulit. Sebagai permulaan, kami belum mengidentifikasi banyak dari mereka; Hanya ada sembilan quasar yang berasal dari masa ketika alam semesta berusia 800 juta tahun. Karena jarak ini, fitur-fitur sulit dikenali, dan pergeseran merah yang disebabkan oleh perluasan alam semesta mengambil radiasi ultraviolet yang intens dari banyak unsur dan memperluasnya hingga inframerah dalam.

Namun, teleskop Webb dirancang khusus untuk mendeteksi objek di alam semesta awal melalui kepekaannya terhadap panjang gelombang inframerah tempat radiasi ini muncul. Jadi penelitian baru ini mengandalkan penunjukan Webb pada quasar pertama dari sembilan quasar yang ditemukan, J1120+0641.

Dan itu terlihat… sangat normal. Atau setidaknya sangat mirip dengan quasar dari periode yang lebih baru dalam sejarah alam semesta.

Sebagian besar normal

Para peneliti menganalisis kontinuitas radiasi dari quasar, dan menemukan indikasi jelas bahwa ia tertanam dalam massa material panas dan berdebu, seperti yang terlihat pada quasar selanjutnya. Debu ini sedikit lebih panas dibandingkan beberapa quasar modern, namun hal ini tampaknya menjadi ciri umum objek-objek ini pada tahap awal sejarah alam semesta. Radiasi dari piringan akresi juga muncul dalam spektrum emisi.

Berbagai metode untuk memperkirakan nilai produksi massal lubang hitam di wilayah 10⁹ Massanya berkali-kali lipat dari Matahari, membuatnya jelas berada di wilayah lubang hitam supermasif. Terdapat juga bukti, dari sedikit pergeseran warna biru pada beberapa radiasi, bahwa quasar meniupkan material dengan kecepatan sekitar 350 kilometer per detik.

Ada beberapa keanehan. Yang pertama adalah material tersebut juga tampak jatuh ke dalam dengan kecepatan sekitar 300 kilometer per detik. Hal ini bisa disebabkan oleh material yang berputar menjauhi kita di piringan akresi. Namun jika demikian, hal tersebut harus dipenuhi oleh material yang berputar ke arah kita di sisi lain piringan tersebut. Hal ini telah terlihat beberapa kali pada quasar awal, namun para peneliti mengakui bahwa “asal usul fisik dari efek ini tidak diketahui.”

Salah satu pilihan yang mereka usulkan sebagai penjelasan adalah bahwa seluruh quasar bergerak, terguncang dari posisinya di pusat galaksi akibat penggabungan sebelumnya dengan lubang hitam supermasif lainnya.

Hal aneh lainnya adalah terdapat juga aliran karbon yang sangat terionisasi dengan sangat cepat, yang bergerak dua kali lebih cepat dibandingkan quasar di kemudian hari. Kami telah melihat ini sebelumnya, tetapi tidak ada penjelasannya juga.

Bagaimana ini bisa terjadi?

Terlepas dari keanehannya, objek ini sangat mirip dengan quasar yang baru-baru ini terjadi: “Pengamatan kami menunjukkan bahwa struktur kompleks torus berdebu dan [accretion disk] Dapat membuktikan dirinya sekitar a [supermassive black hole] “Kurang dari 760 juta setelah Big Bang.”

Sekali lagi, ini sedikit menjadi masalah karena menunjukkan adanya lubang hitam supermasif yang tertanam di galaksi induknya pada awal sejarah alam semesta. Untuk mencapai ukuran seperti yang ditunjukkan di sini, lubang hitam mendorong ke arah yang disebut batas Eddington, yaitu jumlah material yang dapat mereka tarik sebelum radiasi yang dihasilkan mengeluarkan material di dekatnya, sehingga mencekik pasokan makanan lubang hitam.

Hal ini menunjukkan dua pilihan. Yang pertama adalah bahwa objek-objek ini menyerap materi jauh melampaui batas Eddington dalam sebagian besar sejarahnya, sesuatu yang belum kita amati dan tentunya tidak berlaku untuk quasar ini. Pilihan lainnya adalah mereka memulai dengan besar (sekitar 10).⁴ kali massa Matahari) dan terus memberi makan pada tingkat yang lebih wajar. Tapi kita tidak tahu pasti bagaimana sesuatu sebesar ini bisa terbentuk.

Oleh karena itu, alam semesta awal masih menjadi tempat yang membingungkan.

Astronomi Alam, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Tentang ID digital).