Kesan artis ini menunjukkan bagaimana J043947.08 + 163415.7, quasar yang sangat jauh ditenagai oleh lubang hitam supermasif, dapat terlihat dari dekat. Objek ini sejauh ini merupakan quasar paling terang yang ditemukan di awal Semesta, tetapi hanya dalam hal kecerahan yang tampak. (ESA / HUBBLE, NASA, M. KORNMESSER)

Maaf, Astronom Belum Menemukan Quasar Tercerah Di Seluruh Semesta

Dengan bantuan dari gravitasi Einstein dan kekuatan Teleskop Luar Angkasa Hubble, ini adalah quasar paling terang yang pernah kami temukan.

Dalam astronomi, ada dua jenis pertanyaan untuk dijawab: yang mudah dan yang sulit. Pertanyaan-pertanyaan mudah melibatkan benda-benda terdekat yang berlimpah dan mudah dilihat; yang sulit melibatkan benda-benda jauh yang langka dan sulit ditemukan. Dalam banyak hal, pertanyaan terbesar adalah menentukan apa yang terjadi pada ekstrem kosmik terbesar.

Dalam penemuan baru yang spektakuler, para astronom mengumumkan quasar yang memecahkan rekor di awal Semesta: lebih terang dari 600 triliun Matahari. Dengan cahayanya datang kepada kita sejak 13 miliar tahun lalu - hanya 800 juta tahun setelah Big Bang - kecerahannya menyiratkan bahwa ia ditenagai oleh lubang hitam 10 miliar kali massa Matahari kita.

Tetapi kesimpulan itu sepenuhnya salah. Ini adalah kekhasan relativitas Einstein yang menipu kita, dan kita mengerti persisnya mengapa.

Bayangkan Anda mendapatkan bola lampu yang terang. Saat Anda menghidupkan sakelar, ia memanaskan filamennya dan bersinar cemerlang karena ditenagai oleh nomor standar: 100 watt. Anda dapat berdiri agak jauh darinya, dan memprediksi dengan tepat seberapa terang itu akan muncul. Dan ini juga bekerja sebaliknya: jika Anda bisa mengukur jaraknya dan seberapa terang kelihatannya, Anda dapat menyimpulkan dengan tepat seberapa dalam cahaya bercahaya itu.

Tapi ada peringatan untuk pemikiran ini. Anda harus memastikan bahwa tidak ada yang memperbesar cahaya yang Anda lihat dari lokasi Anda di ruang angkasa. Jika Anda melihat bola lampu ini melalui kaca pembesar, Anda masih mendapatkan pengukuran jarak yang tepat, tetapi Anda akan mengukur kecerahan yang jelas yang secara artifisial ditingkatkan. Semakin besar kekuatan pembesar lensa Anda, semakin besar peningkatan buatan. Jika Anda mencoba menyimpulkan seberapa bercahaya bohlam lampu Anda sebenarnya, Anda akan condong ke jawaban yang salah, dengan pembesaran yang lebih tinggi membiaskan hasil Anda dengan jumlah yang lebih besar.

Lensa gravitasi, memperbesar dan memutarbalikkan sumber latar belakang, memungkinkan kita untuk melihat objek yang lebih samar dan lebih jauh daripada sebelumnya. (ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. CALÇADA (ESO), Y. HEZAVEH ET AL.)

Tidak ada kaca pembesar yang secara alami terjadi di ruang angkasa, tetapi ada fenomena pelapisan gravitasi yang sangat nyata. Saat Anda melihat objek yang jauh di Semesta, ada kemungkinan yang sangat nyata untuk memiliki massa besar yang ada di sepanjang garis pandang Anda ke apa pun yang sedang Anda amati.

Dalam relativitas Einstein, massa menyebabkan jalinan ruangwaktu melengkung, dengan massa yang lebih besar mendorong lengkungan yang lebih besar. Cahaya dari objek yang jauh yang melewati wilayah ruangwaktu yang sangat melengkung akan membuat jalurnya terdistorsi. Jika distorsi cukup signifikan, dapat menyebabkan berbagai efek, termasuk peregangan gambar yang diamati, penciptaan beberapa gambar, dan perbesaran besar cahaya yang berasal dari sumber.

HE0435–1223, yang terletak di tengah gambar bidang luas ini, adalah di antara lima quasar dengan lensa terbaik yang ditemukan hingga saat ini. Galaksi latar depan menciptakan empat gambar yang sangat simetris dari quasar yang jauh di sekitarnya. Quasar adalah objek paling jauh yang ditemukan di alam semesta yang dapat diamati. (ESA / HUBBLE, NASA, SUYU ET AL.)

Ketika sampai pada objek paling terang di Semesta ultra-jauh, kami tidak menggunakan bola lampu. Kami bahkan tidak menggunakan bintang, galaksi, atau supernova; pada jarak yang sangat jauh, satu-satunya objek individu yang dapat dilihat dalam jumlah besar adalah quasar. Tak lama setelah Big Bang, Semesta membentuk bintang-bintang untuk pertama kalinya, mengarah ke lubang hitam, merger, dan galaksi. Seiring berlalunya waktu, akhirnya lubang hitam supermasif pertama muncul di pusat-pusat galaksi muda ini.

Lubang hitam ini, ketika galaksi inangnya mengalami ledakan besar pembentukan bintang, dapat menghasilkan dan melahap materi dalam jumlah besar. Ketika mereka melakukannya, lubang hitam tumbuh, dan daerah di sekitarnya memancarkan radiasi elektromagnetik dalam jumlah besar, dari bagian radio spektrum hingga sinar-X. Berdasarkan radiasi yang kami amati, kami dapat merekonstruksi segala macam sifat quasar ini dan galaksi yang mereka huni.

Quasar yang baru diidentifikasi ini bernama J043947.08 + 163415.7, yang kami sebut singkatnya J0439. Itu ditemukan dalam survei area luas pada tahun 2017, dan tahun lalu menerima pengamatan tindak lanjut dari Hubble. Dan - seperti yang Anda harapkan dengan bola lampu - kami dapat mengukur jarak dan kecerahan objek ini.

Kita dapat mengukur dengan presisi sangat tinggi seberapa jauh quasar ini, dan mendapatkan nilai dengan menerapkan apa yang kita ketahui tentang Universe yang berkembang: 28,1 miliar tahun cahaya jauh.

Kita dapat mengukur dengan presisi sangat tinggi seberapa terang quasar muncul dengan mengumpulkan cahayanya, dan itu memberi kita pengukuran langsung kecerahan yang jelas.

Dan dengan menggabungkan kedua angka itu, kita mendapatkan angka itu untuk luminositas intrinsik quasar: 600 triliun kali kecerahan Matahari.

Jet sinar-X paling jauh di Semesta, dari quasar GB 1428, kira-kira memiliki jarak dan usia yang sama, seperti yang dilihat dari Bumi, seperti quasar S5 0014 + 81, yang menampung kemungkinan lubang hitam terbesar yang diketahui di Semesta. Raksasa raksasa yang jauh ini dianggap diaktifkan oleh merger atau interaksi gravitasi lainnya yang juga mengarah pada lonjakan signifikan dalam tingkat pembentukan bintang yang terlihat pada galaksi inang ini. (Sinar-X: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTIK: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Jika itu benar, objek ini akan menjadi hal tercerdas yang kami deteksi pada jarak yang sangat jauh. Kami saat ini mengetahui ratusan quasar yang ditemukan pada jarak yang sama ekstrimnya, yang berkisar pada kecerahan dari beberapa triliun hingga mungkin 300 triliun kali luminositas Matahari. Jadi quasar baru ini, J0439, sekarang lebih dari dua kali lebih terang dari yang paling terang berikutnya. Beberapa bahkan berpendapat bahwa itu mungkin quasar paling terang di alam semesta awal.

Untuk memberi Anda gambaran betapa ekstrimnya quasar itu, kita dapat menyimpulkan massa untuk lubang hitam pusatnya berdasarkan kecerahannya: 10 miliar massa matahari. Kita dapat menyimpulkan laju pembentukan bintang untuk galaksi yang menampungnya: 10.000 massa matahari senilai bintang baru per tahun.

Sebagai perbandingan, Bima Sakti kita memiliki lubang hitam supermasif hanya 4 juta massa matahari, dan membentuk kurang dari 1 massa matahari yang bernilai bintang baru setiap tahun.

Pandangan multiwavelength dari pusat galaksi Bima Sakti ini bergerak dari sinar-X melalui optik dan ke inframerah, menampilkan Sagittarius A * dan media intragalactic yang terletak sekitar 25.000 tahun cahaya. Lubang hitam memiliki massa sekitar 4 juta Matahari, sedangkan Bima Sakti secara keseluruhan membentuk kurang dari satu bintang Matahari yang baru bernilai setiap tahun. Akhir tahun ini, menggunakan data radio, EHT akan menyelesaikan horizon peristiwa lubang hitam. (Sinar-X: NASA / CXC / UMASS / D. WANG ET AL.; OPTIK: NASA / ESA / STSCI / D. Wang ET AL.; IR: NASA / JPL-CALTECH / SSC / S.STOLOVY)

Ada sekitar 500 quasar ditemukan yang datang kepada kita dari masa-masa awal: ketika Alam Semesta berusia kurang dari 1,2 miliar tahun. Tidak ada yang secerah ini, memiliki lubang hitam yang begitu masif, atau menyiratkan tingkat pembentukan bintang yang begitu besar. Jika quasar ini secerah pengamatan ini menyiratkan, itu mungkin menjadi objek paling ekstrim di seluruh Semesta.

Tapi itu tidak benar. Quasar J0439 tidak 600 triliun kali lebih terang dari Matahari kita, dan jelas bukan quasar paling terang di Semesta. Sebaliknya, J0439 menunjukkan tanda-tanda lensa gravitasi, yang mungkin memperbesarnya sebanyak faktor 50.

Alih-alih menjadi 600 triliun kali lebih terang dari Matahari kita, itu mungkin hanya 10-12 triliun kali lebih terang, yang sebenarnya akan menjadikannya salah satu quasar yang paling samar yang pernah terdeteksi pada jarak yang begitu jauh.

Gambar ini menunjukkan quasar jauh J043947.08 + 163415.7 seperti yang diamati dengan NASA / ESA Hubble Space Telescope. Quasar adalah salah satu objek paling terang di awal Semesta. Namun, karena jaraknya, itu hanya menjadi terlihat karena gambarnya dibuat lebih terang dan lebih besar oleh pelensaan gravitasi. (NASA, ESA, X. FAN (UNIVERSITY OF ARIZONA))

Tanda tangan lensa sama sekali tidak ambigu dan tak terhindarkan. Beberapa gambar diselesaikan dalam data Hubble, karena pengamatan menunjukkan keberadaan tiga gambar terpisah untuk J0439. Keberadaan galaksi latar depan, diimbangi dengan hanya perbedaan sudut yang diperlukan, juga terlihat jelas, mengungkapkan sumber untuk pelensaan gravitasi.

Interpretasi terbaik dari data ini adalah bahwa quasar mungkin mengirimkan cahaya dari 13 miliar tahun yang lalu, tetapi sekitar setengah jalan antara kita dan quasar itu, sebuah galaksi yang saling terkait melengkung sangat parah. Ketika kami merekonstruksi apa yang harus ada untuk menjelaskan pengamatan ini, kami menyimpulkan bahwa ini bukan quasar paling terang yang terdeteksi pada jarak yang sangat jauh; ini adalah quasar pertama yang memiliki lensa gravitasi di jangkauan terjauh dari Semesta.

Sebuah ilustrasi tentang pelensaan gravitasi menunjukkan bagaimana galaksi latar belakang - atau jalur cahaya apa pun - terdistorsi oleh kehadiran massa yang ikut campur, tetapi juga menunjukkan bagaimana ruang itu sendiri ditekuk dan terdistorsi oleh keberadaan massa latar depan itu sendiri. Pembesaran lensa semacam itu dapat menyebabkan kebingungan pada kecerahan intrinsik suatu sumber jika tidak diperhitungkan dengan baik. (NASA / ESA)

Ketika kita mempertimbangkan efek dari pelensaan gravitasi, bersama dengan kelengkungan ruang terkait karena relativitas Einstein, quasar ini menjadi jauh lebih masuk akal.

  • Alih-alih 600 triliun kali lebih terang dari Matahari kita, itu hanya ~ 12 triliun kali lebih terang, sejalan dengan quasar lainnya.
  • Alih-alih lubang hitam yang 10 miliar kali lebih masif dari Matahari kita, yang belum pernah terjadi pada masa awal seperti itu, seharusnya hanya 0,8 miliar kali massa Matahari kita, konsisten dengan lubang hitam supermasif besar lainnya pada tahap-tahap awal itu.
  • Dan alih-alih kecepatan pembentukan bintang yang puluhan ribu kali lebih besar dari galaksi kita sendiri, kita merekonstruksi yang lebih dekat dengan quasar muda lainnya: beberapa ratus hingga beberapa ribu massa matahari yang bernilai bintang baru per tahun.

Di masa depan, survei dalam skala yang lebih besar harus mengungkapkan lebih banyak quasar di pinggiran lensa gravitasi yang kuat. Kita harus menemukan lebih banyak quasar luminositas rendah ini pada jarak yang jauh, yang berada di bawah ambang batas deteksi observatorium kami saat ini tanpa peningkatan pelensa. Dan untuk J0439 khususnya, kami sepenuhnya berharap bahwa pengamatan tindak lanjut dengan ALMA akan mengungkapkan seberapa cepat materi di sekitar lubang hitam berdaya quasar bergerak, memberi kita jendela ke apa massa sebenarnya.

Inti galaksi NGC 4261, seperti inti dari banyak galaksi, menunjukkan tanda-tanda lubang hitam supermasif baik dalam pengamatan inframerah maupun sinar-X. Ketika kita mengukur gerakan gas, termasuk kecepatannya pada berbagai jarak dari pusat, di sekitar lubang hitam itu, kita dapat menyimpulkan nilai yang cukup tepat untuk lubang hitam supermasif in situ. (NASA / HUBBLE AND ESA)

Quasar baru ini sangat menarik, tetapi bukan karena alasan yang mungkin Anda dengar. Ini bukan objek paling terang di dekat fajar kosmik kita, tetapi salah satu objek paling samar yang ditemukan. Hanya karena kekuatan pelensaan gravitasi, penyelarasan kebetulan galaksi yang mengintervensi, dan aturan unik relativitas Einstein yang dapat kami temukan sama sekali.

Kita mungkin telah menemukan quasar dengan kecerahan tampak terbesar di alam semesta awal, yang luar biasa dalam dirinya sendiri. Tetapi tujuan kami adalah untuk memahami Semesta sebagaimana adanya, bukan seperti yang terlihat oleh kita. Ketika kami memperhitungkannya, quasar ini persis sesuai dengan yang kami harapkan. Dan itu adalah kisah yang menarik di dalam dan tentang dirinya sendiri, tanpa diperlukan sensasi tambahan.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.