Citra Medan Magnet di Tepi Lubang Hitam M87*

Untuk pertama kalinya, para astronom bisa menampilkan lubang hitam di pusat galaksi Messier 87 (M87) dalam cahaya terpolarisasi.

CItra lubang hitam M87* dalam cahaya terpolarisasi. Kredit: EHT Collaboration

Lubang hitam M87* menjadi buah bibir ketika monster di galaksi spiral Messier 87 berhasil dipotret jejaring teleskop radio Kolaborasi Event Horizon Telescope (EHT). Pengamatan dilakukan dengan teknik interferometri yang menghubungkan ke-8 teleskop radio yang berada di berbagai belahan dunia untuk menghasilkan kemampuan teleskop virtual seukuran Bumi.

Hasilnya, tentu saja seperti yang sudah kita ketahui, potret lubang hitam di galaksi M87 yang berada 55 juta tahun cahaya dari Bumi. Lebih tepatnya lagi potret bayangan lubang hitam.

Tak hanya membuktikan bahwa lagi-lagi teori Einsten benar, pengamatan juga memperlihatkan ada perubahan posisi dan kecerlangan cincin di sekeliling lubang hitam. Tapi, tidak terjadi perubahan bentuk maupun ukuran. Tak berhenti sampai di sini. Pengujian yang dilakukan memperlihatkan bahwa teori gravitasi Einstein bukan saja sesuai dengan apa yang terjadi di lubang hitam M87*, tapi bisa dijadikan tolok ukur menguji teori gravitasi lain yang muncul.

Jet Terang dari Pusat M87

Galaksi spiral M87 berada di galaksi Virgo dan merupakan salah satu galaksi besar yang dihuni oleh triliunan bintang dan merentang sekitar 240.000 tahun cahaya. M87 juga dikelilingi oleh 120.000 gugus bola.

Di pusatnya, ada lubang hitam M87* yang jaraknya 55 juta tahun cahaya dengan massa 6,5 miliar massa Matahari!

Yang menarik, dari pusat galaksi M87 ada semburan kembar dari materi yang melesat cepat bak jet yang dilepaskan. Jet ini meluncur dengan kecepatan relativistik lebih dari 99% kecepatan cahaya dan semburannya merentang sampai 5000 tahun cahaya!

Tak hanya itu. Energi yang dilepaskan juga sangat besar dan bisa mencapai miliaran kali energi yang dipancarkan Matahari!

Pertanyaannya. Apa yang menyebabkan semburan tersebut.

Lubang hitam supermasif M87* dengan massa 6,5 miliar massa Matahari jelas merupakan monster pemangsa yang bisa menarik materi di sekelilingnya untuk mendekat dan pada akhirnya dilahap. Materi yang ditarik mendekat ini kemudian mengitari lubang hitam tersebut dalam bentuk piringan materi yang kita kenal sebagai piringan akresi.

Materi di dalam piringan bergerak sangat cepat dalam gerak spiral mendekati lubang hitam. Akan tetapi, tidak semua materi itu dilahap lubang hitam, Hanya sejumlah kecil yang akhirnya masuk ke lubang hitam, sementara sebagian lainnya justru dilontarkan atau disembur sebagai jet ke angkasa.

Agar bisa memahami bagaimana jet sedemikian kuat dilepaskan dan bagaimana materi di piringan akresi jatuh ke lubang hitam, maka yang harus diamati adalah perilaku materi di sekeliling lubang hitam.

Untuk itu, para astronom dan fisikawan menganalisis lebih dalam data M87* yang diperoleh jejaring Teleskop Event Horizon pada tahun 2017. Data itu tak sekedar menghasilkan foto bayangan lubang hitam untuk dikagumi tapi menyimpan cerita yang bisa mengungkap cerita tentang medan magnet pada M87*.

Dan ternyata benar. Hasil analisis memperlihatkan sebagian besar cahaya di sekeliling lubang hitam M87 mengalami polarisasi!

Polarisasi Cahaya Pada M87*

Kenampakan area pusat lubang hitam M87* dalam cahaya terpolarisasi yang dipotret oleh teleskop yang berbeda. Yang pertama dipotret oleh Teleskop Hubble dalam panjang gelombang tampak. Yang berikutnya adalah citra M87* dalam cahaya terpolarisasi yang dipotret ALMA, VLBA milik NRAO, dan Kolaborasi EHT. Kredit: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

Cahaya bisa mengalami polarisasi saat melewati filter tertentu. Contohnya kacamata polarisasi atau ketika cahaya dipancarkan di ruang panas yang ada medan magnetnya. Kalau kacamata polarisasi mereduksi pantulan cahaya dari permukaan terang untuk meningkatkan kontras dan kejelasan visual, maka para astronom juga bisa mempertajam pengamatan area di sekitar lubang hitam dari polarisasi cahaya yang berasal dari area tersebut.

Medan magnet di plasma juga bisa menyebabkan cahaya yang terpolarisasi dipancarkan. Jadi, partikel-partikel di sekitar medan magnet yang bergerak dengan kecepatan relativistik ini berinteraksi dengan medan magnet dan menghasilkan radiasi sinkrotron. Nah, radiasi sinkrotron ini menghasilkan polarisasi linier yang searah dengan putaran partikel.

Dengan mengamati polarisasi cahaya di sekitar lubang hitam, para astronom bisa mempelajari plasma dan memetakan struktur garis medan magnet di tepi dalam piringan akresi lubang hitam. Dari sini pulalah diperoleh informasi terkait mekanisme pelontaran jet yang berasal dari piringan akresi, cincin terang yang mengelilingi lubang hitam.

Citra lubang hitam dalam cahaya terpolarisasi ini sekaligus menjadi kesempatan emas bagi para astronom untuk melihat area yang berada tepat di luar lubang hitam dari dekat. Area dimana interaksi materi yang jatuh ke dalam lubang hitam dan materi yang terlontar sebagai jet terjadi.

Untuk bisa menjelaskan apa yang terjadi, para astronom mengandalkan pemodelan perilaku materi. Dua model yang digunakan adalah Magnetic Accretion Disk (MAD) yang memiliki medan magnet sangat teratur dan bisa menahan aliran materi untuk jatuh ke dalam lubang hitam, dan Standard and Normal Evolution (SANE) dimana gas yang diakresi tidak ditahan oleh medan magnet. Kedua model ini memiliki medan magnet yang sangat berbeda dan itu tentu saja membuat polarisasinya berbeda.

Karena itulah, citra M87* ini sangat penting untuk melihat polarisasi yang terjadi sehingga struktur medan magnet di tepi lubang hitam bisa diketahui.

Hasilnya, medan magnet di tepi lubang hitam cukup kuat yakni sekitar 60 kali medan magnet Bumi dan ini cukup untuk mendorong gas panas di tepi dalam piringan melawan gravitasi lubang hitam. Dengan kata lain, mekanisme ini membantu sebagian materi untuk tidak segera jatuh ke dalam lubang hitam.

Sementara itu, sebagian materi yang lolos dari medan magnet bergerak spiral menuju horison peristiwa lubang hitam dan akhirnya jatuh ke dalam lubang hitam. Diperkirakan, laju materi yang masuk dalam lubang hitam setiap tahun itu sekitar 0,0003 – 0,002 massa Matahari, atau setara dengan dua planet Jupiter. Atau dalam sehari ada dua Bumi yang dilahap lubang hitam M87*.

Materi yang tidak segera jatuh ke dalam lubang hitam juga diperkirakan menjadi bagian dari materi yang kemudian dilontarkan dalam bentuk jet sebagai akibat terpuntirnya medan magnet di tepi dalam piringan akresi menjadi pusaran tornado. Bagaimana proses terjadinya dan apa penyebabnya, masih belum diketahui. Akan tetapi, dengan mempelajari medan magnet di tepi dalam piringan akresi, para astronom bisa memperoleh pemahaman untuk menyingkap proses yang terjadi di area ini.