Lubang hitam bisa menjadi materi gelap – dan mungkin sudah ada sejak awal alam semesta

Apakah lubang hitam terbentuk segera setelah Big Bang?

Bagaimana lubang hitam supermasif muncul? Apa itu materi gelap? Dalam model alternatif untuk pembentukan alam semesta dibandingkan dengan “buku teks” sejarah alam semesta, tim astronom menyarankan bahwa dua misteri kosmik ini dapat dijelaskan dengan apa yang disebut “lubang hitam asli”.

Nico Cappelluti (Universitas Miami), Günther Hasinger (Direktur Sains ESA) dan Priyamvada Natarajan (Universitas Yale), menunjukkan bahwa lubang hitam telah ada sejak awal alam semesta dan bahwa lubang hitam primordial itu sendiri bisa jadi merupakan materi gelap yang belum dapat dijelaskan. Studi baru akan diterima untuk publikasi di Jurnal Astrofisika.

“Lubang hitam dengan ukuran berbeda masih menjadi misteri. Kami tidak mengerti bagaimana lubang hitam supermasif bisa menjadi begitu besar dalam waktu yang relatif singkat sejak keberadaan alam semesta, ”jelas Günther Hasinger.

Di ujung skala yang lain mungkin juga ada lubang hitam yang sangat kecil, seperti yang diduga dengan pengamatan dari Gaia. ESA, Misalnya. Jika mereka ada, mereka terlalu kecil untuk terbentuk dari bintang-bintang yang sekarat.

“Studi kami menunjukkan bahwa kami dapat memecahkan rahasia kosmologi modern dari sifat materi gelap hingga asal usul lubang hitam supermasif tanpa memperkenalkan partikel baru atau fisika baru,” kata Nico Cappelluti.

Dua misi masa depan dalam program penelitian luar angkasa ESA akan memeriksa beberapa fenomena paling ekstrem di alam semesta: Athena, Teleskop Lanjutan untuk Astrofisika Energi Tinggi, dan LISA, antena luar angkasa interferometer laser. Saat ini dalam tahap studi, kedua misi tersebut dijadwalkan akan dimulai pada awal 2030-an. Athena akan menjadi observatorium sinar-X terbesar yang pernah dibangun, mempelajari beberapa fenomena terpanas dan paling energik di alam semesta dengan akurasi dan kedalaman yang belum pernah terjadi sebelumnya. Sementara itu, LISA akan menjadi observatorium berbasis ruang angkasa pertama untuk gelombang gravitasi – fluktuasi struktur ruang-waktu yang diciptakan oleh percepatan objek kosmik dengan medan gravitasi yang sangat kuat, seperti pasangan lubang hitam yang bergabung. Kredit foto: ESA – S. Poletti

Jika sebagian besar lubang hitam berada tepat setelah Dentuman Besar, mereka mungkin mulai bergabung di alam semesta awal dan telah membentuk lubang hitam yang lebih besar dan lebih besar dari waktu ke waktu. Observatorium ruang gelombang gravitasi masa depan ESA, LISA, dapat menangkap sinyal dari penggabungan ini jika lubang hitam purba ada. Lubang hitam kecil bisa jadi merupakan lubang hitam asli yang belum bergabung menjadi lubang hitam yang lebih besar.

Menurut model ini, alam semesta akan dipenuhi lubang hitam di mana-mana. Bintang-bintang akan terbentuk di sekitar gumpalan “materi gelap” ini dan menciptakan tata surya dan galaksi selama miliaran tahun. Jika bintang pertama benar-benar terbentuk di sekitar lubang hitam purba, mereka akan ada di alam semesta lebih awal dari yang diperkirakan oleh model “standar”.

Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah observatorium luar angkasa yang memungkinkan Anda melihat lebih jauh ke alam semesta daripada sebelumnya. Ini dirancang untuk menjawab pertanyaan terbuka tentang alam semesta dan untuk membuat penemuan inovatif di semua bidang astronomi. Webb akan mengamati galaksi pertama di alam semesta, mengungkapkan kelahiran bintang dan planet, dan mencari exoplanet dengan potensi kehidupan. Kredit foto: ESA / ATG medialab

“Lubang hitam primordial, jika ada, bisa jadi merupakan benih yang membentuk semua lubang hitam, termasuk yang berada di tengah lubang hitam. Bima Sakti“Kata Priyamvada Natarajan.

Misi Euclid ESA, yang akan memeriksa alam semesta gelap secara lebih rinci daripada sebelumnya, dapat berperan dalam pencarian lubang hitam purba sebagai kandidat materi gelap.

Teleskop Luar Angkasa James Webb NASA / ESA / CSA mendatang, mesin waktu kosmik yang terlihat lebih dari 13 miliar tahun, akan menjelaskan lebih lanjut misteri ini.

“Jika bintang dan galaksi pertama telah terbentuk pada apa yang disebut ‘zaman kegelapan’, Webb seharusnya dapat melihat buktinya,” tambah Günther.

Referensi: “Menjelajahi Semesta PBH-CDM pergeseran merah tinggi: Awal lubang hitam Pembibitan, Bintang Pertama dan Latar Radiasi Kosmik “oleh N. Cappelluti, G. Hasinger dan P. Natarajan, Diterima, Jurnal Astrofisika.
arXiv: 2109.08701