Tabrakan Dua Lubang Hitam pada 7 Miliar Tahun Lalu Terdeteksi

Dua lubang hitam saling bertabrakan dan membentuk sebuah lubang hitam baru dengan massa lebih besar. Tabrakan dua lubang hitam itu terjadi pada 7 miliar tahun lalu atau 2,5 miliar tahun sebelum Matahari terbentuk.

KOMPAS/N FISCHER, H PFEIFFER, A BUONNANO, SXS COLLABORATION

Simulasi numerik yang menggambarkan dua lubang hitam yang saling mengitari hingga akhirnya bergabung membentuk lubang hitam tunggal. Proses ini akan membuat lubang hitam memancarkan gelombang gravitasi yang sinyalnya berhasil ditangkap oleh detektor gelombang gravitasi yang dimiliki Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) di Amerika Serikat dan detektor milik Virgo di Italia.

Dua buah lubang hitam saling bertabrakan dan membentuk sebuah lubang hitam baru dengan massa yang lebih besar. Tabrakan dua lubang hitam itu terjadi pada 7 miliar tahun lalu atau 2,5 miliar tahun sebelum Matahari kita terbentuk. Lubang hitam baru yang terbentuk itu bermassa cukup besar yang belum pernah teridentifikasi sebelumnya.

Riak gelombang tabrakan dua lubang hitam itu terdeteksi oleh dua detektor gelombang gravitasi yang ada di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), Amerika Serikat, dan sebuah detektor milik Virgo di Italia. Sumber gelombang gravitasi yang terdeteksi pada 21 Mei 2019 itu kemudian dinamai GW190521.

Baik LIGO maupun Virgo adalah laboratorium skala besar untuk mendeteksi gelombang gravitasi kosmik dan mengembangkan sistem deteksi gelombang gravitasi sebagai salah satu instrumen dalam astronomi. Jika LIGO dikembangkan oleh National Science Foundation, AS, Virgo dibangun oleh patungan sejumlah negara Eropa.

Riak gelombang itu menggambarkan tanda-tanda penggabungan dua lubang hitam yang masing-masing memiliki massa sekitar 85 kali massa Matahari dan 66 kali massa Matahari. Setelah tabrakan, dua lubang hitam itu membentuk lubang hitam tunggal dengan massa mencapai 142 kali massa Matahari.

Baca juga : Ada ”Lubang Hitam” di Galaksi Messier, 55 Juta Tahun Cahaya dari Bumi

Jika kedua massa lubang hitam yang bergabung tersebut utuh, harusnya lubang hitam baru yang terbentuk memiliki massa 151 kali massa Matahari. Lantas, ke mana sisa massa gabungan dua lubang hitam itu pergi? Massa 9 kali massa Matahari yang tersisa dari penggabungan kedua lubang hitam itu berubah menjadi energi tabrakan yang sangat besar hingga bisa dideteksi oleh detektor di LIGO dan Virgo kini.

”Sinyal yang kita terima ini tidak seperti sinyal biasanya. Sinyal ini lebih seperti sesuatu yang meledak,” kata Nelson Christensen, ilmuwan anggota kolaborasi Virgo kepada Live Science, Rabu (2/9/2020).

Ledakan yang dihasilkan dari tabrakan kedua lubang hitam itu mengguncang semesta di sekitarnya. Dengan menganalisis bentuk gelombangnya, para ilmuwan bisa mengukur seberapa besar lubang hitam yang saling bertabrakan tersebut dan seberapa besar pula lubang hitam baru yang dihasilkan.

Analisis tersebut juga bisa menghasilkan perkiraan waktu kapan tabrakan kedua lubang hitam itu terjadi. Sebagai gambaran, saat ini alam semesta berumur sekitar 13,7 miliar tahun. Artinya, tabrakan kedua lubang hitam itu terjadi saat umur alam semesta mencapai 6,7 miliar tahun.

KOMPAS/D FERGUSON/K JANI/D SHOEMAKER/P LAGUNA/LIGO COLLABORATION/VIRGO COLLABORATION

Simulasi tentang tabrakan dua lubang hitam dengan massa masing-masing 85 kali massa Matahari dan 66 kali massa Matahari. Tabrakan dua lubang hitam itu menghasilkan lubang hitam bermassa 142 kali massa Matahari. Proses tabrakan dua lubang hitam itu memancarkan gelombang gravitasi yang dinamai GW190521. Temuan ini menjadi sumber pengetahuan baru bagi manusia tentang bagaimana lubang hitam bermassa menengah atau superbesar (tapi bukan supermasif) terbentuk.

Terbesar di kelasnya

Lubang hitam yang baru ditemukan dan sumber gelombannya dinamai GW190521 tersebut merupakan lubang hitam terbesar di kelasnya yang pernah terdeteksi, yaitu kelas menengah. Sebelum ini, ilmuwan tidak yakin lubang hitam dengan massa 85 kali massa Matahari dan 142 kali massa Matahari itu bakal ada.

Namun, temuan ini menyadarkan ilmuwan tentang bagaimana cara lubang hitam dengan massa superbesar itu terbentuk. Saat ini, ilmuwan mengelompokkan lubang hitam dalam dua kategori, yaitu lubang hitam bintang dan lubang hitam supermasif.

Lubang hitam bintang terbentuk dari bintang-bintang raksasa yang runtuh dan mengakhiri hidupnya sebagai lubang hitam. Keberadaan mereka bisa dijelaskan dari teori evolusi bintang yang sudah mapan. Massa lubang hitam ini biasanya tidak lebih dari beberapa puluh massa Matahari. Jenis lubang hitam seperti inilah yang sering dideteksi LIGO dan Virgo.

Sementara itu, lubang hitam supermasif adalah lubang hitam yang massanya jutaan hingga miliaran kali massa Matahari. Lubang hitam ini umumnya ada di pusat galaksi, termasuk yang ada di pusat galaksi kita Bimasakti. Namun, asal-usul lubang hitam supermasif ini masih menjadi pertanyaan ilmuwan.

Baca juga : Era Baru Eksplorasi Lubang Hitam

Di antara lubang hitam bintang dan lubang hitam supermasif itu, terdapat celah massa yang sangat besar, yaitu dari puluhan massa Matahari langsung lompat ke jutaan massa Matahari. Sebelum temuan ini, ilmuwan tidak pernah mendeteksi adanya lubang hitam dengan massa ratusan, ribuan, atau ratusan ribu massa Matahari.

Terkait asal-usul lubang hitam supermasif yang masih menjadi misteri, ada dugaan lubang hitam supermasif itu terbentuk dari gabungan lubang hitam supermasif lainnya. Namun hingga kini, belum ada bukti untuk peristiwa tersebut.

Salah satu misteri dalam astrofisika adalah bagaimana lubang hitam supermasif terbentuk. (Christopher Berry)

”Salah satu misteri dalam astrofisika adalah bagaimana lubang hitam supermasif terbentuk,” kata peneliti lain Christopher Berry, fisikawan di Universitas Northwestern, AS.

Saat ini, ada jutaan lubang hitam supermasif di semesta. Jika lubang hitam supermasif itu terbentuk dari penggabungan lubang hitam lain, seharusnya ada lubang hitam-lubang hitam yang massanya masuk kategori menengah atau terletak di celah massa antara massa lubang hitam bintang dan lubang hitam supermasif tersebut.

Artinya, dari tabrakan lubang hitam bermassa puluhan massa Matahari bisa membentuk lubang hitam bermassa ratusan massa Matahari. Selanjutnya, tumbukan lubang hitam bermassa ratusan massa Matahari itu akan menjadi lubang hitam bermassa ribuan massa Matahari, dan seterusnya hingga terbentuk lubang hitam dengan massa miliaran massa Matahari.

Namun, lanjut Berry, bisa saja lubang hitam supermasif itu terbentuk melalui proses yang belum diketahui saat ini. ”Sudah lama kita mencari lubang hitam bermassa menengah untuk menjembatani celah massa di antara massa lubang hitam bintang dan lubang hitam supermasif,” katanya. Hal yang pasti, temuan ini memberi bukti pada ilmuwan bawah lubang hitam bermassa menengah itu ada.

KOMPAS/RAUL RUBIO/VIRGO VALENCIA GROUP/THE VIRGO COLLABORATION

Citra artis yang menggambarkan tabrakan dua lubang hitam hingga membentuk lubang hitam baru dengan massa lebih besar yang dinamai GW190521. Tanda panah hijau dan merah menandakan arah rotasi lubang hitam sebelum bersatu. Sementara bintang-bintang di sekitarnya merupakan gugus bintang yang ada di sekitar lubang hitam tersebut.

Celah massa

Bintang dengan massa kecil tidak runtuh menjadi lubang hitam karena tekanan ke luar dari foton dan gas di inti bintang membuat bintang tersebut justru mengembang hingga mencapai volume yang sangat besar di akhir masa hidupnya.

Sementara bintang dengan massa sangat besar, energi dalam inti bintangnya yang besar justru akan mengubah foton menjadi pasangan elektron dan antielektron. Secara bersama-sama, elektron dan antielektron itu akan menghasilkan tekanan yang lebih kecil dibandingkan tekanan yang dihasilkan foton. Akibatnya, bintang dengan massa sangat besar itu akan runtuh dengan sangat cepat menjadi lubang hitam dan sangat energik hingga sebagian massanya terlempar ke lingkungan semesta sekitarnya.

Dari perhitungan, bintang bermassa 130 kali massa Matahari bisa menghasilkan lubang hitam bermassa 66 kali masa matahari. Namun secara teoretis, tidak akan ada lubang hitam dengan massa 66-120 kali massa Matahari yang terbentuk langsung dari runtuhan sebuah bintang yang sangat masif. Inilah salah satu sisi celah massa lubang hitam yang diprediksi ilmuwan.

Karena itu, temuan lubang hitam bermassa 85 kali massa Matahari pada 2019 itu membuat ilmuwan menduga bahwa lubang hitam tersebut adalah lubang hitam generasi kedua. Dia terbentuk dari dua nenek moyang lubang hitam pendahulunya yang berukuran lebih kecil dari 85 kali massa Matahari. Kondisi serupa alias lubang hitam generasi kedua juga bisa terjadi pada lubang hitam dengan massa 66 kali massa Matahari.

Baca juga : Lubang Hitam Supermasif Sudah Ada Sejak Semesta Usia Dini

Sementara itu, lubang hitam bermassa 142 massa Matahari ada pada sisi lain dari celah massa lubang hitam karena ukurannya lebih dari 120 kali massa Matahari. Secara teori, lubang hitam dengan massa lebih dari 120 kali massa Matahari itu bisa terbentuk dari bintang yang sangat besar, tetapi hingga kini tidak pernah ada lubang hitam dengan massa sebesar itu yang pernah terdeteksi.

Sebelum temuan lubang hitam bermassa 142 kali massa Matahari itu, ilmuwan tidak yakin bahwa lubang hitam dengan massa lebih dari 120 kali massa matahari itu benar-benar ada. Namun, temuan ini menunjukkan lubang hitam bermassa menengah itu nyata adanya meski terbentuk dari tabrakan dua lubang hitam bermassa lebih kecil, bukan dari runtuhan langsung sebuah bintang.

Meski demikian, keraguan sebagai prinsip dasar sains tetap ada dalam temuan ini. Jangan-jangan sinyal yang ditangkap LIGO dan Virgo itu tidak menjelaskan pembentukan lubang hitam bermassa menengah, tetapi berupa sinyal gelombang gravitasi dari obyek atau kondisi yang belum dipahami manusia.

Bisa saja, gelombang gravitasi itu dipancarkan oleh runtuhan bintang yang ada di galaksi kita Bimasakti. Sinyal ini juga bisa berasal dari string kosmik yang dihasilkan sesaat setelah alam semesta mulai mengembang setelah Dentuman Besar (Big Bang) terjadi atau pada saat usia semesta masih sangat dini. Namun, kemungkinan-kemungkian tersebut tidak bisa menjelaskan dengan baik seperti prediksi penggabungan dua lubang hitam.

Ini adalah prospek (ilmu pengetahuan) yang sangat menggiurkan. (Vicky Kalogera)

”Ini adalah prospek (ilmu pengetahuan) yang sangat menggiurkan,” kata Vicky Kalogera, peneliti dari Universitas Northwestern lainnya.

Astronomi gelombang gravitasi adalah sesuatu yang baru hingga butuh waktu untuk memastikannya. Saat LIGO, Virgo, dan detektor gelombang gravitasi masa depan mampu mengumpulkan data lebih banyak tentang peristiwa-peristiwa yang menghasilkan gelombang gravitasi lainnya, maka persoalan ini bisa dinilai lebih jelas.

Meski demikian, temuan yang dipublikasikan di dua jurnal sekaligus, yaitu Physical Review Letters dan The Astrophysical Journal Letters, pada Rabu (2/9/2020), setidaknya bisa menjelaskan keberadaan dan kemungkinan terbentuknya lubang hitam bermassa menengah alias superbesar yang ada di celah massa lubang hitam bintang dan lubang hitam supermasif.