Pengamatan baru dari James Webb Space Telescope, atau JWST, memberi para astronom gambaran yang lebih jelas tentang bagaimana lubang hitam supermasif mendapatkan gas yang mereka butuhkan untuk berkembang.
Gambar-gambar tersebut mengungkapkan untaian gas panjang yang menghubungkan atmosfer luar galaksi yang panas dengan piringan yang berputar cepat di sekitar lubang hitam pusatnya. Cakram ini bertindak sebagai reservoir materi terakhir sebelum gas jatuh ke dalam dan memberi makan lubang hitam.
Sebuah tim peneliti internasional yang dipimpin oleh University of Montreal, dengan kontribusi dari Michigan State University, melakukan observasi dan menganalisis hasilnya. Temuan mereka, diterbitkan dalam edisi 14 Juli Surat dari jurnal astrofisikamembantu menjawab pertanyaan yang menjadi tantangan para astronom selama beberapa dekade.
“Pengamatan JWST memberi kita ribuan fakta dan pengukuran baru, dan menurut saya banyak hal yang perlu dipelajari,” kata Megan Donahue, profesor emeritus fisika dan astronomi di MSU. “Kita semua bekerja sama untuk memecahkan pertanyaan astrofisika tentang bagaimana lubang hitam ini mendapatkan bahan bakarnya dan bagaimana mereka berinteraksi dengan galaksi induknya.”
Bagaimana lubang hitam supermasif mempengaruhi galaksi
Hampir semua galaksi besar mempunyai lubang hitam supermasif, atau SMBH, di pusatnya. Benda-benda ini bisa jutaan atau milyaran kali lebih besar dari matahari.
Lubang hitam sendiri tidak memancarkan cahaya. Namun, ketika sejumlah besar gas dan debu jatuh ke arahnya, material tersebut memanas dan menciptakan wilayah yang sangat terang dan energik. Para astronom menyebutnya inti galaksi aktif, atau AGN.
Lubang hitam yang aktif dapat berperilaku seperti mesin kosmik yang kuat. Ia bisa meluncurkan jet pembawa energi yang sangat besar jauh melampaui pusat galaksi. Jet-jet ini dapat memanaskan gas di sekitarnya, memperlambat pembentukan bintang-bintang baru dan mempengaruhi evolusi galaksi selama miliaran tahun.
Hal ini menimbulkan sakit kepala yang berkepanjangan. Jika pancaran tersebut memanaskan gas di dekatnya, hal ini akan mempersulit gas tersebut untuk mendingin dan jatuh menuju lubang hitam. Secara teori, lubang hitam pada akhirnya akan memutus pasokan makanannya sendiri.
Namun banyak lubang hitam supermasif yang terus mencari makan.
Kemungkinan siklus bahan bakar lubang hitam
Penjelasan utamanya adalah bahwa sistem ini mengatur dirinya sendiri.
Gas yang dipanaskan oleh aktivitas lubang hitam pada akhirnya bisa mendingin kembali. Ketika kehilangan energi, ia dapat mengembun menjadi struktur panjang dan sempit yang disebut filamen. Aliran gas yang lebih dingin ini kemudian dapat mengalir kembali ke pusat galaksi dan mengisi kembali pasokan bahan bakar lubang hitam.
Untuk mempelajari proses ini, peneliti menggunakan JWST untuk mempelajari NGC 4696, galaksi pusat terbesar di Cluster Centaurus. Gugus tersebut merupakan kumpulan galaksi padat yang terletak sekitar 145 juta tahun cahaya dari Bumi dan dianggap sebagai salah satu tempat terbaik untuk mempelajari bagaimana inti galaksi aktif berinteraksi dengan lingkungannya.
Tim mengamati NGC 4696 selama hampir delapan jam menggunakan instrumen NIRSpec JWST. NIRSpec memisahkan cahaya inframerah ke dalam panjang gelombang komponennya, sehingga memungkinkan para ilmuwan menentukan bagaimana gas bergerak, terbuat dari apa, dan bagaimana sifat-sifatnya bervariasi di suatu wilayah.
Peta yang dihasilkan menelusuri pergerakan gas jauh di dalam lingkup pengaruh lubang hitam. Ini adalah area di mana gravitasi lubang hitam mendominasi pergerakan materi di dekatnya.
JWST telah menyelesaikan struktur sekecil 30 tahun cahaya. Meskipun jarak ini sangat jauh menurut standar manusia, jarak ini merupakan tingkat detail yang sangat bagus dalam sebuah galaksi yang terbentang ratusan ribu tahun cahaya.
Gas dituangkan ke dalam piringan yang berputar
Pengamatan menunjukkan bahwa struktur berbentuk S di dekat pusat galaksi sebenarnya adalah piringan gas yang berputar mengelilingi lubang hitam supermasif.
Cakram tersebut membentang hampir 800 tahun cahaya, dan beberapa materi di dalamnya bergerak dengan kecepatan hingga 600 kilometer per detik.
Lebih penting lagi, piringan tersebut tampaknya terhubung secara fisik ke salah satu filamen besar gas yang mengalir menuju bagian dalam galaksi. Data JWST menunjukkan bahwa gas bergerak sepanjang filamen dan memasuki piringan berputar yang memasukkan materi ke dalam lubang hitam.
Hubungan ini memberikan beberapa bukti pengamatan terkuat hingga saat ini bahwa filamen gas dingin dapat berfungsi sebagai saluran makan bagi lubang hitam supermasif.
Menyelesaikan putaran umpan balik lubang hitam
Hasilnya membantu mengisi langkah-langkah yang hilang dalam siklus yang lebih besar.
Pertama, jet yang diluncurkan oleh lubang hitam aktif menyuntikkan energi ke gas galaksi di sekitarnya. Seiring waktu, sebagian gas ini mendingin, menjadi tidak stabil, dan pecah menjadi filamen tipis. Beberapa dari struktur ini lebarnya hanya beberapa ratus tahun cahaya tetapi menjangkau ribuan tahun cahaya.
Saat gas jatuh ke dalam, gaya magnet dapat membantu mengurangi putarannya dan mengarahkannya menuju pusat. Materi tersebut kemudian terakumulasi dalam piringan yang berputar di sekitar lubang hitam.
Cakram tersebut memberi makan pada lubang hitam, lubang hitam memberi makan jet-jet baru, dan jet-jet ini memanaskan kembali gas di sekitarnya.
Dengan cara ini, lubang hitam dapat membantu menciptakan kondisi yang pada akhirnya akan menyediakan pasokan bahan bakar berikutnya.
Simulasi mendukung observasi JWST
Para peneliti juga menggunakan simulasi komputer canggih untuk menguji apakah penjelasan ini dapat mereproduksi perilaku yang diamati oleh JWST.
Gas yang disimulasikan bergerak dan mengembun dengan cara yang mirip dengan sistem yang diamati. Perjanjian ini memberikan dukungan independen terhadap gagasan bahwa gas pendingin, medan magnet, dan pancaran lubang hitam bekerja sama dalam siklus yang dapat diatur sendiri.
“Sangat menyenangkan bisa terlibat dalam proyek ini,” kata Mark Voit, profesor fisika dan astronomi di MSU. “Perhitungan yang dilakukan oleh kelompok kami di Michigan State memperkirakan bahwa medan magnet akan membantu memberi daya pada lubang hitam terbesar di alam semesta dengan menyalurkan gas dingin ke arahnya, dan sungguh menakjubkan melihat hal itu terjadi pada gambar JWST ini.”
