Rantai Lubang Hitam Yang Hilang dalam Riak Alam Semesta

Riak di Alam Semesta mengirim sinyal tabrakan lubang hitam masif yang jadi bukti keberadaan lubang hitam massa menengah. Rantai yang hilang dalam jajaran kelas lubang hitam.

Ilustrasi tabrakan Lubang Hitam. Kredit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).
Ilustrasi tabrakan Lubang Hitam. Kredit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Peristiwa penggabungan kali ini memang unik. Sumbernya a.k.a lubang hitam yang bergabung merupakan lubang hitam paling masif yang berhasil dideteksi gelombang gravitasinya. Tak cuma itu, penggabungan lubang hitam kali ini mencatat rekor sumber terjauh yang pernah terdeteksi.

Tarian Lubang Hitam

GW190521. Inilah peristiwa penggabungan lubang hitam yang dideteksi LIGO dan VIRGO pada tanggal 21 Mei 2019. Riak yang dideteksi durasinya sangat pendek. Kurang dari 100 milidetik atau kurang dari sepersepuluh detik!

Rupanya,riak tersebut sudah melakukan perjalanan 7 miliar tahun sebelum mencapai Bumi. Perjalanan sejauh itu, dan Bumi masih merasakan riak yang sangat kecil tentunya sumber riak tersebut merupakan kejadian yang sangat spektakular. Bisa jadi riak yang timbul pada lokasi sumber mirip ledakan yang besar yang mejalar ke luar. Bisa dibilang riak yang dideteksi kali ini bukanlah kicauan melainkan sesuatu yang berbunyi “bang” atau mirip ledakan.

Ternyata memang demikian. Gelombang gravitasi yang terdeteksi ini merupakan sinyal paling masif yang pernah dideteksi. Sumbernya, tentu saja penggabungan sepasang lubang hitam.

Riak yang menempuh perjalanan 7 miliar tahun itu berasal dari sepasang lubang hitam yang saling mengelilingi dalam waktu sangat lama. Selama ribuan tahun saling mengelilingi, kedua lubang hitam akan saling mendekat satu sama lainnya. ketika dua benda luar biasa masif ini semakin dekat, terjadi percepatan yang menyebabkan keduanya berputar dengan kecepatan hampir mendekati kecepatan cahaya. Dan dalam waktu kurang dari sepersepuluh detik, keduanya saling bertabrakan dan bergabung!

Peristiwa GW190521 tentu bukan tabrakan biasa. Kejadiannya sangat spektakuler sehingga melepaskan energi luar biasa besar dalam bentuk gelombang gravitasi yang mengguncang struktur ruang waktu. Riak inilah yang kemudian menjalar ke seluruh alam semesta. Dan setelah 7 miliar tahun riak itu pun melanda Bumi.

Peristiwa dasyat ini ditimbulkan oleh penggabungan lubang hitam dengan massa 85 dan 66 massa Matahari. Keduanya bergabung membentuk lubang hitam masif baru dengan massa 142 massa Matahari. Energi yang dilepaskan dari peristiwa tersebut juga sangat masif setara dengan 8 massa Matahari.

Tim kolaborasi LIGO-VIRGO juga menemukan adanya presesi pada sumbu rotasi lubang hitam. Jadi, ketika kedua lubang hitam saling mendekat, sumbu rotasinya bergeser. Ini terjadi karena rotasi lubang hitam tidak sejajar satu sama lainnya sehingga menyebabkan orbitnya bergoyang atau bergeser.

Tapi, yang menarik adalah massa lubang hitam yang bertabrakan maupun massa akhir hasil penggabungan. Lubang hitam 142 massa Matahari merupakan lubang hitam massa menengah yang selama ini dicari oleh para astronom.

Rantai Yang Hilang

Lubang hitam massa menengah. Kredit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)
Lubang hitam massa menengah. Kredit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Selama ini kita mengenal dua tipe lubang hitam. Yang pertama adalah lubang hitam massa bintang yang terbentuk dari hasil akhir bintang yang meledak. Ketika bintang masif berevolusi dan kemudian mengakhiri hidup dalam peristiwa supernova, pusat bintang yang runtuh inilah yang kemudian menjad lubang hitam. Massa lubang hitam yang terbentuk berkisar antara 5 – 60 massa Matahari.

Yang kedua adalah lubang hitam supermasif yang massanya merentang dari 100.000 sampai beberapa miliar massa Matahari. Lubang hitam tipe ini biasanya ditemukan di pusat sebuah galaksi, termasuk Bima Sakti. Tapi bagaimana lubang hitam supermasif terbentuk masih menjadi misteri.

Apakah lubang hitam supermasif terbentuk dari pertumbuhan lubang hitam massa bintang yang bergabung satu sama lainnya melalui peristiwa tabrakan, ataukah dari sebab lain yang belum diketahui.

Jika memang berasal dari tabrakan lubang hitam massa bintang yang terus bertumbuh tentunya ada lubang hitam massa mengeah (Intermediate mass black holes/IMBHs) yang menjembatani kedua tipe tersebut. Akan tetapi, para astronom belum menemukan bukti sahih keberadaan lubang hitam massa menengah.

Kandidat tentu saja ada. Pada umumnya kandidat yang diusulkan sebagai lubang hitam massa menengah terbentuk di gugus bola. Ini adalah kumpulan ribuan sampai jutaan bintang tua. Di sinilah lokasi yang memang dianggap memungkinkan untuk terbentuknya lubang hitam massa menengah. Caranya tentu saja lewat tabrakan dan penggabungan lubang hitam massa bintang.

Tapi, bukti keberadaannya belum sebaik bukti keberadaan lubang hitam massa bintang maupun lubang hitam supermasif. Lubang hitam massa menengah seperti rantai yang hilang untuk bisa memahami objek masif dengan gravitasi yang sangat kuat tersebut.

Sinyal gelombang gravitasi yang dideteksi LIGO-VIRGO dalam peristiwa GW190521 merupakan bukti sahih bahwa lubang hitam massa menengah yang selama ini jadi rantai yang hilang itu memang ada.

Kesenjangan Massa

Tabrakan lubang hitam 66 dan 85 massa Matahari yang menghasilkan lubang hitam 142 massa Matahari. Kredit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).
Tabrakan lubang hitam 66 dan 85 massa Matahari yang menghasilkan lubang hitam 142 massa Matahari. Kredit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).

Lubang hitam 142 massa Matahari yang baru terbentuk dalam peristiwa GW190521 merupakan bukti pertama keberadaan lubang hitam massa menengah.

Tak cuma itu. Kedua lubang hitam yang bergabung dalam peristiwa GW190521 juga memiliki massa yang unik. Saking masifnya, diduga salah satu atau bahkan kedua lubang hitam tersebut tidak terbentuk dari keruntuhan bintang.

Dalam evolusi bintang, tekanan dari dalam bintang itu menopang bintang untuk melawan gaya gravitasi yang menarik semua materi ke pusat bintang. Kehadiran tekanan inilah yang membuat bintang stabil.

Kesetimbangan hidrostatik. Kredit: Nick Strobel’s Astronomy Notes
Kesetimbangan hidrostatik. Kredit: Nick Strobel’s Astronomy Notes

Ketika pusat bintang masif membakar besi, maka bintang tidak lagi mampu menghasilkan tekanan untuk menopang lapisan terluar bintang. Ketika tekanan ke luar lebih kecil dari tekanan gravitasi ke dalam, maka terjadilah keruntuhan di pusat bintang sementara lapisan terluar justru terlontar dalam ledakan supernova. Keruntuhan di pusat inilah yang menyisakan lubang hitam.

Pada umumnya, bintang masif dengan massa 130 massa Matahari (massa inti 32 – 65 massa Matahari) yang tidak stabil akan menghasilkan denyutan besar yang memicu ledakan dan menyisakan lubang hitam dengan massa kurang dari 64 massa Matahari.

Sedangkan bintang dengan massa lebih dari itu, atau kisaran massa inti 65 – 135 massa Matahari justru akan mengalami ketidakstabilan pasangan. Pada kondisi ini energi di pusat bintang sangat besar sehingga sinar gamma (foto cahaya energi tinggi) terpisah jadi elektron dan positron. Akibatnya tekanan yang dihasilkan untuk menopang bintang berkurang dan bintang tidak stabil untuk menahan keruntuhan gravitasi. Hasilnya….pusat bintang meledak dan tidak ada lubang hitam yang terbentuk.

Bintang yang lebih masif dari itu pada penghujung hidupnya masih menyisakan lubang hitam masif yang massanya lebih dari 100 kali massa Matahari. Tapi tidak ada lubang hitam yang bisa membentuk lubang hitam antara massa 65 – 120 massa Matahari, rentang yang dikenal sebagai “kesenjangan massa ketidastabilan pasangan”.

Dalam peristiwa GW190521, salah satu lubang hitam memiliki massa 85 massa Matahari, dan ini adalah lubang hitam pertama yang berasal dari kelas kesenjangan massa ketidastabilan pasangan. Itu artinya, lubang hitam ini bukan terbentuk karena keruntuhan bintang.

Diduga, mekanisme pembentukan lubang hitam 85 massa Matahari adalah penggabungan dua lubang hitam kecil. Dengan demikian, lubang hitam ini merupakan hasil merger dua lubang hitam yang kemudian bermigrasi dengan pasangan lubang hitamnya yang sekarang dan kemudian kembali merger menjadi lubang hitam 142 massa Matahari.

Para astronom juga memiliki dugaan bahwa lubang hitam 66 massa Matahari juga memiliki kemungkinan terbentu dari penggabungan dua lubang hitam kecil.

Pendeteksian ini memang belum menjawab semua pertanyaan. Rantai yang hilang ditemukan, tapi justru membuka pertanyaan baru untuk dicari jawabannya. Kita tunggu saja deteksi lebih banyak gelombang gravitasi di masa depan.

Ditulis oleh

Avivah Yamani

Avivah Yamani

Tukang cerita astronomi keliling a.k.a komunikator astronomi yang dulu pernah sibuk menguji kestabilan planet-planet di bintang lain. Sehari-hari menuangkan kisah alam semesta lewat tulisan dan audio sambil bermain game dan sesekali menulis makalah ilmiah terkait astronomi & komunikasi sains.

Avivah juga bekerja sebagai Project Director 365 Days Of Astronomy di Planetary Science Institute dan dipercaya IAU sebagai IAU OAO National Outreach Coordinator untuk Indonesia.