NASANancy Grace Teleskop luar angkasa Romawi Ini mungkin mengungkap lubang hitam “kelas bulu” yang sebelumnya tidak terdeteksi dan memiliki massa serupa dengan Bumi. Lubang hitam purba ini, yang terbentuk pada awal mula alam semesta, dapat berdampak besar pada pemahaman kita tentang astronomi dan fisika partikel, serta berpotensi menjelaskan beberapa materi gelap di alam semesta.

Para astronom telah menemukan lubang hitam dengan massa mulai dari beberapa kali massa Matahari hingga puluhan miliar. Kini sekelompok ilmuwan telah memperkirakan bahwa Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman milik NASA akan mampu menemukan kelas lubang hitam “kelas bulu” yang selama ini belum dapat ditemukan.

Saat ini, lubang hitam terbentuk ketika sebuah bintang masif runtuh atau ketika benda-benda masif bergabung. Namun, para ilmuwan menduga bahwa lubang hitam “primordial” yang lebih kecil, termasuk beberapa lubang hitam dengan massa serupa dengan Bumi, mungkin terbentuk pada saat-saat kekacauan pertama di awal alam semesta.

“Penemuan populasi lubang hitam primordial bermassa Bumi akan menjadi langkah luar biasa bagi astronomi dan fisika partikel karena objek-objek ini tidak mungkin terbentuk melalui proses fisik yang diketahui,” kata William DiRocco, peneliti pascadoktoral di UC Santa Fe. Cruz yang memimpin penelitian tentang bagaimana orang Romawi mendeteksinya. Sebuah makalah yang menjelaskan hasilnya Itu diterbitkan di majalah Pemeriksaan fisik d. “Jika kita menemukannya, ini akan mengguncang bidang fisika teoretis.”

Penemuan lubang hitam primordial bermassa Bumi menggunakan teleskop luar angkasa Romawi milik NASA dapat mengubah pemahaman kita tentang alam semesta dan materi gelap. Sumber: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

Resep lubang hitam purba

Lubang hitam terkecil yang terbentuk saat ini lahir ketika sebuah bintang masif kehabisan bahan bakar. Tekanan eksternalnya berkurang seiring menurunnya fusi nuklir, sehingga gravitasi internallah yang memenangkan tarik menarik. Bintang tersebut berkontraksi dan mungkin menjadi sangat padat sehingga menjadi… Lubang hitam.

Namun ada massa minimum yang diperlukan: setidaknya delapan kali massa Matahari kita. Bintang yang lebih ringan akan berubah menjadi katai putih atau bintang neutron.

Namun, kondisi di alam semesta awal mungkin memungkinkan terbentuknya lubang hitam yang jauh lebih ringan. Seseorang yang berbobot massa Bumi akan memiliki horizon peristiwa—titik dimana benda jatuh tidak bisa kembali lagi—yang kira-kira selebar satu sen AS.

Saat alam semesta lahir, para ilmuwan percaya bahwa alam semesta mengalami fase singkat namun intens yang dikenal sebagai inflasi, ketika ruang angkasa mengembang lebih cepat dari kecepatan cahaya. Dalam kondisi khusus ini, wilayah yang lebih padat dibandingkan wilayah sekitarnya mungkin akan runtuh dan membentuk lubang hitam primordial bermassa rendah.

Meskipun teori memperkirakan bahwa makhluk terkecil harus menguap sebelum alam semesta mencapai usianya saat ini, makhluk dengan massa serupa Bumi akan selamat.

Penemuan benda-benda kecil ini akan berdampak besar pada fisika dan astronomi.

“Ini akan mempengaruhi segalanya mulai dari pembentukan galaksi hingga kandungan materi gelap alam semesta hingga sejarah kosmik,” kata Kailash Sahu, astronom di Space Telescope Science Institute di Baltimore, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Mengonfirmasi identitas mereka akan membutuhkan kerja keras dan para astronom perlu banyak diyakinkan, tapi itu akan sia-sia.”

Stephen Hawking berhipotesis bahwa lubang hitam perlahan-lahan bisa berkontraksi seiring dengan keluarnya radiasi. Kebocoran perlahan dari apa yang sekarang dikenal sebagai radiasi Hawking, seiring berjalannya waktu, akan menyebabkan lubang hitam menguap begitu saja. Infografis ini menunjukkan perkiraan masa hidup dan cakrawala peristiwa – titik di mana benda yang jatuh tidak dapat lagi lepas dari cengkeraman gravitasi lubang hitam – dan diameter lubang hitam dengan massa kecil yang berbeda-beda. Sumber: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

Petunjuk dari pemilik rumah yang tersembunyi

Pengamatan telah mengungkapkan bukti bahwa objek semacam itu mungkin bersembunyi di galaksi kita. Lubang hitam purba mungkin tidak terlihat, namun kerutan dalam ruang-waktu telah membantu mengungkap beberapa tersangka potensial.

Pelensaan mikro adalah efek pengamatan yang disebabkan oleh adanya massa yang mendistorsi struktur ruang-waktu, seperti jejak yang ditinggalkan bola bowling saat diletakkan di atas trampolin. Setiap kali suatu objek tampak melayang dekat dengan bintang latar belakang dari sudut pandang kita, cahaya bintang tersebut harus melintasi ruang-waktu yang melengkung di sekitar objek tersebut. Jika kesejajarannya sangat dekat, objek dapat bertindak sebagai lensa alami, memfokuskan dan memperkuat cahaya bintang di latar belakang.

Kelompok astronom terpisah menemukannya menggunakan data dari MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – sebuah kolaborasi yang melakukan observasi microlensing menggunakan Mount John University Observatory di Selandia Baru – dan OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Sejumlah besar objek terisolasi bermassa Bumi yang tak terduga.

Teori pembentukan dan evolusi planet memperkirakan massa dan kelimpahan tertentu dari planet jahat – dunia yang berkeliaran di galaksi tanpa terikat pada bintang. Pengamatan MOA dan OGLE menunjukkan bahwa terdapat lebih banyak objek bermassa Bumi yang melayang di galaksi daripada yang diperkirakan oleh model.

Konsep seniman ini mengambil pendekatan fantasi untuk membayangkan lubang hitam primordial yang sangat kecil. Faktanya, lubang hitam sekecil itu akan kesulitan membentuk piringan akresi sehingga terlihat di sini. Sumber: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

“Tidak ada cara untuk membedakan antara lubang hitam bermassa Bumi dan planet jahat berdasarkan kasus per kasus,” kata DiRocco. Namun para ilmuwan memperkirakan Roman akan menemukan sejumlah objek dalam rentang massa ini sepuluh kali lebih besar daripada teleskop berbasis darat. “Roman akan sangat ampuh dalam membedakan keduanya secara statistik.”

DiRocco memimpin upaya untuk menentukan berapa banyak planet jahat yang berada dalam rentang massa ini, dan berapa banyak lubang hitam primordial yang dapat dibedakan oleh orang Romawi.

Menemukan lubang hitam purba akan mengungkap informasi baru tentang alam semesta awal, dan sangat menunjukkan bahwa periode awal inflasi telah terjadi. Hal ini juga bisa menjelaskan sebagian kecil materi gelap misterius yang menurut para ilmuwan merupakan penyusun sebagian besar massa alam semesta, namun mereka belum dapat mengidentifikasinya.

“Ini adalah contoh menarik dari sesuatu yang dapat dilakukan lebih banyak ilmuwan dengan data yang sudah dimiliki Roman selama pencarian planetnya,” kata Sahu. “Hasilnya menarik apakah para ilmuwan menemukan bukti adanya lubang hitam bermassa Bumi atau tidak. Hal ini akan meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta.”

Referensi: “Mendeteksi lubang hitam primordial bermassa Bumi menggunakan Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman” oleh William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo, dan Nolan Smith, 8 Januari 2024, Pemeriksaan fisik d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman dioperasikan di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, dengan partisipasi dari Laboratorium Propulsi Jet NASA, Caltech/IPAC di California Selatan, Institut Sains Teleskop Luar Angkasa di Baltimore, dan tim sains yang mencakup ilmuwan dari keliling dunia. Lembaga penelitian. Mitra industri utama adalah BAE Systems, Inc. dari Boulder, Colorado; Teknologi L3Harris di Rochester, New York; dan Teledyne Scientific & Imaging di Thousand Oaks, California.