Lubang hitam purba tetap menjadi salah satu gagasan paling menarik dalam astronomi selama beberapa dekade. Kini, para peneliti di University of Miami percaya bahwa deteksi gelombang gravitasi baru-baru ini dapat membawa para ilmuwan lebih dekat untuk mengkonfirmasi realitas benda-benda kuno ini, sebuah terobosan yang juga dapat membantu memecahkan misteri materi gelap yang abadi.
Lubang hitam purba diperkirakan terbentuk pada sepersekian detik pertama setelah Big Bang, jauh sebelum bintang atau galaksi pertama ada. Tidak seperti lubang hitam yang diciptakan oleh bintang-bintang yang runtuh, objek hipotetis ini dapat memiliki ukuran yang beragam, mulai dari yang sekecil asteroid hingga benda yang jauh lebih besar.
Meski belum ada lubang hitam purba yang pernah terkonfirmasi, para ilmuwan yakin lubang hitam tersebut dapat menjawab beberapa pertanyaan besar tentang alam semesta. Salah satu yang paling penting adalah sifat materi gelap, zat tak kasat mata yang menyusun sekitar 85 persen seluruh materi dan memberikan tarikan gravitasi yang membantu menyatukan galaksi.
“Kami pikir penelitian kami akan membantu memastikan bahwa mereka benar-benar ada,” kata Nico Cappelluti, profesor di departemen fisika di Universitas Miami, merujuk pada penelitian yang dia lakukan dengan gelar Ph.D. murid Alberto Magaraggia.
Sinyal LIGO yang tidak biasa
Pekerjaan mereka didasarkan pada kemungkinan penemuan yang dilaporkan oleh Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), yang akhir tahun lalu mendeteksi sinyal gelombang gravitasi yang tidak biasa. Gelombang gravitasi adalah riak dalam ruang-waktu yang dihasilkan oleh beberapa peristiwa paling dahsyat di alam semesta, termasuk tabrakan antar lubang hitam.
Lubang hitam paling terkenal terbentuk setelah ledakan bintang masif berupa supernova. Massa mereka umumnya bervariasi dari beberapa kali massa Matahari hingga miliaran massa Matahari.
“Lubang hitam paling umum terbentuk setelah supernova, kematian sebuah bintang masif. Jadi massanya bisa bervariasi dari beberapa kali massa Matahari hingga miliaran massa Matahari,” jelas Cappelluti.
Namun pada bulan November, LIGO mengeluarkan peringatan otomatis tentang penggabungan di mana setidaknya satu objek tampaknya memiliki massa kurang dari matahari. Lubang hitam sekecil itu akan sulit dijelaskan oleh evolusi bintang konvensional dan mungkin mengindikasikan adanya lubang hitam primordial.
Tidak semua orang yakin. Beberapa ahli astrofisika berpendapat bahwa sinyal tersebut mungkin hanya berupa kebisingan di detektor LIGO yang sangat sensitif, dan bukan bukti penemuan baru yang luar biasa.
Bisakah ini menjelaskan materi gelap?
Cappelluti dan Magaraggia berpendapat bahwa objek yang terdeteksi paling baik dijelaskan sebagai lubang hitam primordial yang terbentuk dalam kondisi padat di awal alam semesta, jauh sebelum keberadaan bintang.
Untuk menguji gagasan ini, para peneliti memperkirakan berapa banyak lubang hitam primordial yang mungkin ada di alam semesta dan seberapa sering LIGO mendeteksinya.
“Kami mencoba memperkirakan berapa banyak lubang hitam primordial yang mungkin ada di alam semesta dan berapa banyak di antaranya yang dapat dideteksi oleh LIGO,” kata Magaraggia. “Dan hasil yang kami peroleh cukup menggembirakan. Kami memperkirakan bahwa lubang hitam subsolar seperti yang dapat diamati oleh LIGO memang jarang terjadi, konsisten dengan betapa jarangnya peristiwa seperti itu yang telah diamati sejauh ini.”
Temuan mereka, dipublikasikan di Jurnal Astrofisikamenunjukkan bahwa sinyal misterius LIGO tidak memiliki penjelasan astrofisika konvensional dan lebih konsisten dengan lubang hitam purba.
Studi tersebut “menunjukkan bahwa penjelasan paling masuk akal untuk sinyal LIGO, yang tidak memiliki penjelasan astrofisika konvensional, adalah deteksi lubang hitam primordial,” kata Cappelluti. “Dan penelitian kami menunjukkan bahwa lubang hitam purba ini mungkin mewakili sebagian besar, jika tidak seluruh, materi gelap.”
Namun kedua peneliti tersebut menekankan bahwa deteksi tunggal saja tidak cukup untuk menyelesaikan pertanyaan tersebut.
Untuk saat ini, para ilmuwan harus menunggu untuk melihat apakah LIGO dan mitra internasionalnya mencatat peristiwa lain yang memiliki pola yang sama.
“LIGO telah mendeteksi bukti yang sangat kuat mengenai keberadaan lubang hitam jenis ini. Namun kita perlu mendeteksi sinyal lain dari jenis ini, atau bahkan beberapa sinyal lainnya, untuk mendapatkan konfirmasi yang tidak dapat disangkal mengenai realitasnya,” kata Cappelluti. “Tetapi yang jelas adalah bahwa hal itu tidak dapat dikesampingkan sebagai hal yang nyata.”
Sebuah teori yang sedang dibuat selama beberapa dekade
Konsep lubang hitam primordial sudah ada sejak era Perang Dingin, ketika ilmuwan Soviet Yakov Zeldovich dan Igor Novikov pertama kali mengusulkan keberadaan mereka. Pada awal tahun 1970-an, Stephen Hawking memperluas gagasan ini, dengan alasan bahwa objek-objek ini mungkin melimpah di seluruh alam semesta, memancarkan radiasi, dan mungkin menjelaskan materi gelap.
LIGO kemudian memberikan kesempatan pertama untuk mencari bukti yang mendukung teori tersebut. Pada tanggal 14 September 2015, observatorium ini membuat sejarah dengan mendeteksi gelombang gravitasi untuk pertama kalinya, membenarkan prediksi besar teori relativitas umum Albert Einstein dan membuka cara baru untuk mempelajari alam semesta.
Masa depan astronomi gelombang gravitasi
LIGO terdiri dari dua observatorium yang berlokasi di Hanford, Washington, dan Livingston, Louisiana. Bersama dengan detektor Virgo di Italia dan observatorium bawah tanah KAGRA di Jepang, mereka membentuk kolaborasi LVK internasional, yang mencari lubang hitam, wilayah luar angkasa yang gravitasinya sangat kuat sehingga cahaya pun tidak dapat lolos.
Peningkatan yang direncanakan akan membuat LIGO semakin sensitif, sehingga meningkatkan peluangnya untuk menemukan kandidat lubang hitam primordial lainnya. Namun, dua detektor observatorium berbentuk L, masing-masing dengan lengan vakum sepanjang 4 km, dirancang untuk mendeteksi gelombang gravitasi frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh tabrakan kosmik yang relatif baru, bukan gelombang yang dihasilkan secara langsung selama Big Bang itu sendiri.
Observatorium di masa depan akan memperluas rentang ini lebih jauh lagi pada waktunya. Antena Antariksa Laser Interferometer (LISA) Badan Antariksa Eropa, yang dijadwalkan diluncurkan pada tahun 2035, diharapkan dapat mendeteksi gelombang gravitasi pada zaman paling awal alam semesta setelah Big Bang.
Fasilitas lain yang direncanakan, Cosmic Explorer, saat ini sedang dalam tahap desain di Amerika Serikat. Para peneliti memperkirakan ia 10 kali lebih sensitif daripada LIGO, yang memungkinkannya mendeteksi penggabungan lubang hitam dan bintang neutron sejak bintang pertama terbentuk.
