Para astronom dari Universitas Oxford dan Institut Max Planck untuk Fisika Gravitasi (Institut Albert Einstein) telah mempresentasikan strategi baru untuk menemukan salah satu objek yang paling sulit dipahami di alam semesta: pasangan lubang hitam supermasif yang berkerabat dekat.
Pasangan lubang hitam raksasa ini seharusnya terbentuk secara alami setelah galaksi-galaksi bergabung. Meskipun para astronom telah mengidentifikasi pasangan lubang hitam supermasif yang berjauhan, terbukti jauh lebih sulit untuk menemukan lubang hitam yang orbitnya lebih dekat.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Surat Pemeriksaan Fisikpara peneliti menyarankan untuk mencari sinyal yang khas. Saat lubang hitam mengorbit satu sama lain, gravitasinya yang sangat besar dapat berulang kali memperkuat cahaya dari bintang di belakangnya, menciptakan kilatan cahaya berulang yang dapat mengungkap sistem tersembunyi.
Penggabungan galaksi menciptakan biner lubang hitam supermasif
Kebanyakan galaksi mempunyai lubang hitam supermasif di pusatnya. Ketika galaksi-galaksi bertabrakan dan akhirnya bergabung, lubang hitam di pusatnya dapat berikatan secara gravitasi, membentuk apa yang para ilmuwan sebut sebagai lubang hitam supermasif biner.
Sistem ini penting untuk memahami bagaimana galaksi berubah seiring waktu. Mereka juga diperkirakan menghasilkan gelombang gravitasi paling kuat di alam semesta.
Observatorium gelombang gravitasi ruang angkasa di masa depan seharusnya dapat mendeteksi biner ini secara langsung. Namun, penelitian baru menunjukkan bahwa para astronom mungkin tidak perlu menunggu. Studi langit yang ada dan di masa depan berpotensi mengidentifikasinya melalui pengaruhnya terhadap cahaya tampak.
“Lubang hitam supermasif bertindak seperti teleskop alami,” kata Dr. Miguel Zumalacárregui dari Institut Fisika Gravitasi Max Planck. “Karena massanya yang sangat besar dan ukurannya yang kompak, mereka membengkokkan cahaya dengan tajam. Cahaya dari bintang-bintang di galaksi induk yang sama dapat difokuskan menjadi gambar yang sangat terang, sebuah fenomena yang dikenal sebagai pelensaan gravitasi.”
Bagaimana Lensa Gravitasi Menciptakan Kilatan Cahaya
Sebuah lubang hitam supermasif dapat memperbesar bintang di latar belakang secara signifikan, tetapi hanya jika kesejajarannya hampir sempurna.
Sistem biner berperilaku berbeda. Dengan dua lubang hitam yang bertindak sebagai lensa gravitasi, wilayah di mana pembesaran ekstrim dapat terjadi menjadi jauh lebih besar. Pasangan ini menciptakan fitur berbentuk berlian yang dikenal sebagai kurva kaustik, di mana bintang bisa tampak jauh lebih terang.
Secara teori, bintang yang titiknya sempurna bisa diperbesar hingga tak terhingga. Pada kenyataannya, ukuran bintang yang terbatas membatasi kecerahan efeknya.
“Kemungkinan penguatan cahaya bintang secara signifikan meningkat sangat besar untuk sebuah lubang hitam dibandingkan dengan lubang hitam tunggal,” kata Profesor Bence Kocsis dari Departemen Fisika di Universitas Oxford dan salah satu penulis studi tersebut.
Kilatan bintang yang berulang kali dapat mengungkap lubang hitam yang tersembunyi
Berbeda dengan lubang hitam tunggal, lubang hitam biner terus berubah.
Ketika dua lubang hitam mengorbit satu sama lain, mereka secara bertahap kehilangan energi karena emisi gelombang gravitasi, sebuah proses yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. Seiring waktu, hal ini menyebabkan lubang hitam semakin berdekatan dan mengorbit lebih cepat.
Mahasiswa pascasarjana Hanxi Wang adalah bagian dari kelompok Profesor Kocsis dan memimpin penelitian: “Saat biner bergerak, kurva kaustik berputar dan berubah bentuk, menyapu sejumlah besar bintang di belakangnya. Jika sebuah bintang terang berada di wilayah ini, ia dapat menghasilkan kilatan cahaya yang sangat terang setiap kali kaustik melewatinya. Hal ini menyebabkan semburan cahaya bintang berulang kali, yang memberikan tanda yang jelas dan khas dari biner lubang hitam supermasif.
Karena struktur kaustik terus bergerak, kilatan cahaya yang dihasilkan akan terjadi berulang kali, sehingga menciptakan pola yang dapat dikenali dan dapat dicari oleh para astronom.
Petunjuk tentang massa dan orbit lubang hitam
Tim menemukan bahwa waktu dan intensitas sambaran petir ini harus mengikuti tren yang dapat diprediksi, bukan muncul secara acak.
Ketika gelombang gravitasi secara perlahan menyusutkan orbitnya, gelombang tersebut secara halus mengubah bentuk dan gerakan kurva kaustik. Perubahan ini meninggalkan tanda yang dapat diukur baik dalam kecerahan maupun frekuensi lampu kilat.
Dengan menganalisis model-model ini, para peneliti dapat memperkirakan fitur-fitur penting dari biner tersembunyi, termasuk massa lubang hitam dan rincian evolusi orbitnya.
Observatorium baru yang kuat, termasuk Observatorium Vera C. Rubin dan Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman, diharapkan dapat memperluas pencarian peristiwa pelensaan berulang ini di tahun-tahun mendatang.
“Prospek untuk mengidentifikasi lubang hitam supermasif yang menginspirasi bertahun-tahun sebelum detektor gelombang gravitasi ruang angkasa di masa depan mulai beroperasi sangatlah menarik,” Profesor Kocsis menyimpulkan. “Ini membuka pintu bagi studi lubang hitam multi-messenger, memungkinkan kita menguji gravitasi dan fisika lubang hitam dengan cara yang benar-benar baru.”
