Konsep artis ini menunjukkan quasar paling jauh dan lubang hitam supermasif paling jauh yang mendukungnya. Pada pergeseran merah 7,54, ULAS J1342 + 0928 sesuai dengan jarak sekitar 29 miliar tahun cahaya; itu adalah lubang hitam quasar / supermasif paling jauh yang pernah ditemukan. Cahaya itu tiba di mata kita hari ini, di bagian radio spektrum, karena dipancarkan hanya 690 juta tahun setelah Big Bang. (ROBIN DIENEL / LEMBAGA CARNEGIE UNTUK ILMU PENGETAHUAN)

Bagaimana Rasanya Ketika Lubang Hitam Supermasif Pertama Dibentuk?

Raksasa kosmik ini luar biasa sejak awal. Begini cara mereka menjadi.

Salah satu tantangan terbesar bagi astrofisika modern adalah menggambarkan bagaimana Semesta beralih dari tempat yang seragam tanpa planet, bintang, atau galaksi ke kosmos yang kaya, terstruktur, dan beragam yang kita lihat sekarang. Sejauh yang bisa kita lihat, ketika Alam Semesta baru berumur beberapa ratus juta tahun, kita menemukan banyak objek yang menarik. Bintang dan gugus bintang ada dalam kelimpahan; galaksi dengan mungkin satu miliar bintang menerangi Semesta; bahkan quasar dengan lubang hitam yang sangat besar terbentuk sebelum alam semesta berusia satu miliar tahun.

Tetapi bagaimana Alam Semesta membuat lubang hitam ultra-masif dalam periode waktu sesingkat itu? Setelah beberapa dekade kisah yang saling bertentangan, para ilmuwan akhirnya berpikir kita tahu apa yang terjadi.

Konsepsi seorang seniman tentang seperti apa alam semesta saat ia membentuk bintang untuk pertama kalinya. Bintang-bintang mungkin mencapai ratusan atau bahkan ribuan massa matahari, dan dapat mengarah pada pembentukan lubang hitam yang relatif cepat dari massa yang diketahui dimiliki quasar. (NASA / JPL-CALTECH / R.HURT (SSC))

Hanya 50 hingga 100 juta tahun setelah Big Bang, bintang-bintang pertama mulai terbentuk. Awan gas masif mulai runtuh, tetapi karena mereka terdiri dari hidrogen dan helium saja, mereka berjuang untuk memancarkan panas dan menghilangkan energi mereka. Akibatnya, rumpun-rumpun yang secara gravitasi membentuk dan tumbuh ini perlu menjadi jauh lebih besar daripada rumpun yang membentuk bintang saat ini, dan yang memiliki dampak terhadap bentuk bintang-bintang seperti apa.

Sementara hari ini, biasanya, kita membentuk bintang yang sekitar 40% massa Matahari, rata-rata bintang pertama sekitar 25 kali lebih besar, rata-rata. Karena Anda perlu mendinginkannya agar runtuh, hanya gumpalan terbesar dan paling masif yang terbentuk sejak awal yang akan mengarah ke bintang. "Bintang pertama" rata-rata mungkin sepuluh kali lebih besar dari Matahari kita, dengan banyak bintang individu mencapai ratusan atau bahkan seribu massa matahari.

Sistem klasifikasi spektral Morgan-Keenan (modern), dengan kisaran suhu masing-masing kelas bintang yang ditunjukkan di atasnya, dalam kelvin. Mayoritas bintang saat ini adalah bintang kelas M, dengan hanya 1 bintang kelas O atau B yang diketahui dalam 25 parsec. Matahari kita adalah bintang kelas G. Namun, di awal Semesta, hampir semua bintang adalah bintang kelas O atau B, dengan massa rata-rata 25 kali lebih besar dari rata-rata bintang saat ini. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA LUCASVB, TAMBAHAN OLEH E. SIEGEL)

Sebagian besar bintang-bintang ini akan mengakhiri hidup mereka dalam supernova, yang mengarah ke bintang neutron atau lubang hitam kecil bermassa rendah. Tetapi tanpa elemen berat sama sekali, bintang-bintang paling masif akan mencapai suhu sedemikian tinggi di inti mereka sehingga foton, partikel cahaya individu, dapat menjadi sangat energik sehingga mereka secara spontan akan mulai menghasilkan materi dan pasangan antimateri dari energi murni saja.

Anda mungkin pernah mendengar tentang Einstein E = mc², dan ini mungkin aplikasi yang paling kuat: bentuk energi murni, seperti foton, dapat menciptakan partikel masif selama aturan kuantum mendasar yang mengatur alam diatur. Cara termudah untuk membuat materi dan antimateri adalah membuat foton menghasilkan pasangan elektron / positron, yang akan terjadi dengan sendirinya jika suhu cukup tinggi.

Diagram ini menggambarkan proses produksi berpasangan yang menurut para astronom memicu peristiwa hypernova yang dikenal sebagai SN 2006gy. Ketika foton berenergi cukup tinggi dihasilkan, mereka akan menciptakan pasangan elektron / positron, menyebabkan penurunan tekanan dan reaksi tak terkendali yang menghancurkan bintang. Luminositas puncak hipernova jauh lebih besar daripada supernova 'normal' lainnya. (NASA / CXC / M. WEISS)

Di bintang-bintang yang sangat masif ini, seperti juga di semua bintang, gravitasi berusaha menarik semua materi ke arah pusat. Tetapi foton, dan semua radiasi yang dihasilkan dalam inti bintang-bintang ini, mendorong ke belakang, dan mengangkat bintang, mencegah keruntuhannya.

Namun, ketika Anda mulai membuat pasangan elektron-positron dari foton ini, Anda kehilangan sebagian dari tekanan radiasi itu. Anda menghabiskan kemampuan bintang Anda untuk menahan diri dari kehancuran gravitasi. Dan sementara memang benar bahwa ada beberapa, rentang massa sempit yang menyebabkan bintang menghancurkan dirinya sepenuhnya, sebagian besar kasus akan mengakibatkan seluruh bintang langsung runtuh membentuk lubang hitam.

Jenis Supernova sebagai fungsi massa awal dan kandungan awal elemen lebih berat dari Helium (metallicity). Perhatikan bahwa bintang-bintang pertama menempati baris paling bawah dari bagan, bebas logam, dan bahwa area hitam berhubungan dengan lubang hitam runtuh langsung. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Ini adalah langkah luar biasa! Ini berarti bahwa bintang-bintang yang paling masif dari semua, dengan ratusan atau bahkan seribu massa matahari, dapat terbentuk ketika Semesta baru berusia 100 juta tahun atau kurang: kurang dari 1% usia saat ini. Bintang-bintang ini akan membakar bahan bakar nuklir mereka paling cepat, dalam 1 atau 2 juta tahun, puncak. Dan kemudian, inti mereka akan menjadi sangat panas sehingga mereka akan mulai mengubah foton menjadi partikel dan anti partikel, yang menyebabkan bintang runtuh dan memanas lebih cepat.

Setelah Anda melewati ambang tertentu, yang dapat Anda lakukan adalah menutup. Dan ini bukan hanya teori, baik; kami benar-benar melihat bintang jatuh secara langsung tanpa supernova, mengarah langsung ke apa yang hanya bisa menjadi lubang hitam.

Foto-foto IR / dekat-terlihat dari Hubble menunjukkan bintang besar, sekitar 25 kali massa Matahari, yang telah mengedipkan keberadaannya, tanpa supernova atau penjelasan lainnya. Runtuhnya langsung adalah satu-satunya penjelasan kandidat yang masuk akal. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

Tapi itu baru permulaan. Setiap kali Anda memiliki sekelompok besar objek besar yang bertindak terutama di bawah gaya gravitasi, objek yang berbeda ditendang dari interaksi ini. Benda paling masif adalah benda yang paling mudah dikeluarkan, sedangkan benda paling masif adalah yang terberat untuk dikeluarkan. Ketika bintang-bintang ini, awan gas, rumpun, dan lubang hitam menari-nari, mereka mengalami apa yang dikenal sebagai segregasi massa: benda terberat jatuh ke pusat gravitasi, tempat mereka berinteraksi dan bahkan dapat bergabung.

Tiba-tiba, alih-alih beberapa ratus lubang hitam beberapa ratus atau beberapa ribu massa matahari, Anda dapat berakhir dengan satu lubang hitam tunggal sekitar 100.000 massa matahari atau bahkan lebih.

Peristiwa bencana terjadi di seluruh galaksi dan melintasi Semesta, dari supernova ke lubang hitam aktif hingga penggabungan bintang-bintang neutron dan banyak lagi. Dalam sebuah cluster atau rumpun yang membentuk banyak lubang hitam, mereka akan secara gravitasi menarik dan mengeluarkan benda-benda kecil lainnya, yang mengarah ke serangkaian merger besar-besaran dan menumbuhkan lubang hitam pusat yang besar. (J. WISE / INSTITUT TEKNOLOGI GEORGIA DAN J. UNIVERSITAS KOTA REGAN / DUBLIN)

Meskipun, secara gravitasi, mungkin diperlukan waktu puluhan juta tahun untuk ini terjadi, ini hanya untuk satu gugus bintang tunggal! Alam Semesta, dari tahap awalnya, membentuk gugus bintang ini di semua tempat, dan gugus bintang ini kemudian mulai menarik satu sama lain secara gravitasi. Seiring waktu, gugus bintang yang berbeda ini akan saling memengaruhi, dan gravitasi akan menyatukannya.

Pada saat Alam Semesta tidak lebih dari 250 juta tahun, mereka akan mulai bergabung bersama secara massal, yang mengarah ke proto-galaksi pertama. Gravitasi adalah kekuatan yang benar-benar mendukung overdog, dan seiring berjalannya waktu, puluhan, ratusan, dan bahkan ribuan cluster awal dan awal ini dapat bergabung untuk tumbuh menjadi galaksi yang lebih besar dan lebih besar. Jaring kosmik menyebabkan struktur bergabung bersama menjadi lebih besar.

Proyeksi skala besar melalui volume Illustris pada z = 0, berpusat pada klaster paling masif, dalam 15 Mpc / jam. Menunjukkan kepadatan materi gelap (kiri) yang beralih ke kepadatan gas (kanan). Struktur alam semesta berskala besar tidak dapat dijelaskan tanpa materi gelap. Paket lengkap dari apa yang ada di Semesta mendikte bahwa struktur terbentuk pada skala kecil terlebih dahulu, akhirnya mengarah ke yang semakin besar dan semakin besar. (KOLABORASI ILLUSTRIS / SIMULASI ILLUSTRIS)

Ini dapat dengan mudah membawa kita ke massa yang puluhan juta massa matahari saat kita mencapai galaksi pertama, tetapi sesuatu yang lain terjadi juga. Bukan hanya lubang hitam yang bergabung bersama untuk membangun yang supermasif di tengah; itu masalah apa pun yang jatuh ke mereka! Galaksi-galaksi awal ini adalah benda-benda padat, dan penuh dengan bintang, gas, debu, gugusan bintang, planet, dan banyak lagi. Kapan pun sesuatu terlalu dekat dengan lubang hitam, itu berisiko ditelan.

Ingatlah bahwa gravitasi adalah kekuatan pelarian: semakin banyak massa yang Anda miliki, semakin besar massa yang Anda tarik. Dan jika sesuatu terlalu dekat dengan lubang hitam, masalahnya akan melebar dan memanas, di mana ia akan menjadi bagian dari piringan akresi lubang hitam. Beberapa dari hal itu akan menjadi panas dan dipercepat, di mana ia dapat memancarkan jet quasar. Tetapi beberapa di antaranya juga akan jatuh, menyebabkan massa black hole tumbuh lebih jauh.

Ketika lubang hitam memakan materi, mereka membuat piringan akresi dan jet bipolar tegak lurus terhadapnya. Ketika sebuah jet dari lubang hitam supermasif menunjuk ke arah kita, kita menyebutnya benda BL Lacertae atau blazar. Ini sekarang dianggap sebagai sumber utama sinar kosmik dan neutrino berenergi tinggi. (NASA / JPL)

Jika ada satu kata kosakata yang ahli astrofisika yang mempelajari pertumbuhan objek melalui gravitasi berharap bahwa masyarakat umum tahu, itu akan menjadi aneh: nonlinear. Ketika Anda memiliki wilayah ruang yang lebih padat daripada rata-rata, itu secara istimewa menarik materi. Jika itu hanya beberapa persen lebih padat dari rata-rata, tarikan gravitasi hanya beberapa persen lebih efektif daripada rata-rata. Gandakan jumlah yang Anda overdense, dan Anda gandakan jumlah yang Anda lebih efektif dalam menarik hal-hal.

Tetapi ketika Anda mencapai batas tertentu menjadi sekitar dua kali lipat rata-rata, Anda menjadi lebih dari dua kali lebih efektif dalam menarik masalah lain. Ketika Anda mulai "memenangkan" perang gravitasi, Anda menang semakin sulit seiring berjalannya waktu. Wilayah yang paling masif, karena itu, tidak hanya tumbuh tercepat, mereka memakan segala sesuatu di sekitarnya. Saat setengah miliar tahun berlalu, Anda bisa menjadi sangat besar.

Galaksi jauh MACS1149-JD1 adalah lensa gravitasi oleh foreground cluster, memungkinkannya untuk dicitrakan pada resolusi tinggi dan dalam berbagai instrumen, bahkan tanpa teknologi generasi berikutnya. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE , W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), TIM CLASH, HASHIMOTO ET AL.)

Galaksi dan quasar paling awal yang pernah kami temukan adalah di antara yang paling terang dan masif yang kami harapkan ada. Mereka adalah pemenang besar dalam perang gravitasi di Semesta awal: overdog kosmik pamungkas. Pada saat teleskop kami mengungkapkannya, 400 hingga 700 juta tahun setelah Big Bang (quasar paling awal berasal dari 690 juta tahun), mereka sudah memiliki miliaran bintang dan lubang hitam supermasif dari ratusan juta massa matahari.

Tetapi ini bukan bencana kosmik; ini adalah bukti yang menunjukkan kekuatan gravitasi yang tak terkendali di Alam Semesta kita. Diunggulkan oleh generasi pertama bintang-bintang dan lubang hitam yang relatif besar yang mereka hasilkan, objek-objek ini bergabung dan tumbuh dalam sebuah cluster, dan kemudian tumbuh lebih besar ketika cluster bergabung untuk membentuk galaksi dan galaksi bergabung untuk membentuk galaksi yang lebih besar. Pada hari ini, kita memiliki puluhan lubang hitam miliaran sebesar Matahari. Tetapi bahkan pada tahap paling awal yang dapat kita amati, lubang hitam bermilyar-massa matahari masih dalam jangkauan. Saat kita mengupas selubung kosmik, kita berharap untuk belajar dengan tepat bagaimana mereka tumbuh dewasa.

Bacaan lebih lanjut tentang seperti apa Semesta saat:

  • Seperti apa saat Semesta menggembung?
  • Bagaimana rasanya ketika Big Bang pertama kali dimulai?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta berada di titik terpanas?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali menciptakan lebih banyak materi daripada antimateri?
  • Bagaimana rasanya ketika Higgs memberi massa kepada Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika kita pertama kali membuat proton dan neutron?
  • Bagaimana rasanya ketika kita kehilangan antimateri terakhir kita?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat elemen pertamanya?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali membuat atom?
  • Bagaimana rasanya ketika tidak ada bintang di Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mulai menerangi Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mati?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta membuat bintang-bintang keduanya?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat galaksi pertama?
  • Bagaimana rasanya ketika cahaya bintang pertama kali menembus atom netral Semesta?

Mulai Dengan A 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.