Setiap orang yang mengenal astronomi cepat atau lambat akan merasakan rasa ingin tahu yang kuat tentang objek paling misterius di Alam Semesta - lubang hitam. Ini adalah penguasa kegelapan sejati, yang mampu "menelan" atom apa pun yang lewat di dekatnya dan bahkan tidak membiarkan cahaya keluar - daya tarik mereka begitu kuat. Benda-benda ini menimbulkan tantangan nyata bagi fisikawan dan astronom. Yang pertama belum dapat memahami apa yang terjadi pada materi yang jatuh ke dalam lubang hitam, dan yang terakhir, meskipun mereka menjelaskan fenomena yang paling memakan energi di ruang angkasa melalui keberadaan lubang hitam, tidak pernah memiliki kesempatan untuk mengamati satupun dari mereka. secara langsung. Kami akan memberi tahu Anda tentang benda-benda langit yang menarik ini, mencari tahu apa saja yang telah ditemukan dan apa yang masih harus dipelajari untuk mengungkap tabir kerahasiaan.

Apa itu lubang hitam?

Nama "lubang hitam" (dalam bahasa Inggris - lubang hitam) diusulkan pada tahun 1967 oleh fisikawan teoretis Amerika John Archibald Wheeler (lihat foto di sebelah kiri). Ini berfungsi untuk menunjuk pada benda langit, yang daya tariknya begitu kuat sehingga bahkan cahaya pun tidak dapat lepas dengan sendirinya. Itu sebabnya warnanya “hitam” karena tidak memancarkan cahaya.

Pengamatan tidak langsung

Inilah alasan misteri tersebut: karena lubang hitam tidak bersinar, kita tidak dapat melihatnya secara langsung dan terpaksa mencari dan mempelajarinya hanya dengan menggunakan bukti tidak langsung yang keberadaannya tertinggal di ruang sekitarnya. Dengan kata lain, jika sebuah lubang hitam menelan sebuah bintang, kita tidak dapat melihat lubang hitam tersebut, namun kita dapat mengamati dampak buruk dari medan gravitasinya yang kuat.

intuisi Laplace

Meskipun ungkapan “lubang hitam” untuk menunjukkan tahap akhir hipotetis dari evolusi sebuah bintang yang runtuh di bawah pengaruh gravitasi relatif baru, gagasan tentang kemungkinan keberadaan benda-benda semacam itu telah muncul lebih dari dua kali. berabad-abad yang lalu. John Michell dari Inggris dan Pierre-Simon de Laplace dari Prancis secara independen membuat hipotesis tentang keberadaan “bintang tak terlihat”; pada saat yang sama, mereka didasarkan pada hukum dinamika biasa dan hukum gravitasi universal Newton. Saat ini, lubang hitam telah mendapatkan deskripsi yang benar berdasarkan teori relativitas umum Einstein.

Dalam karyanya “Exposition of the System of the World” (1796), Laplace menulis: “Sebuah bintang terang dengan kepadatan yang sama dengan Bumi, dengan diameter 250 kali lebih besar dari diameter Matahari, berkat gravitasinya daya tarik, mencegah sinar cahaya mencapai kita. Oleh karena itu, ada kemungkinan benda langit terbesar dan paling terang tidak terlihat karena alasan ini.”

Gravitasi yang tak terkalahkan

Ide Laplace didasarkan pada konsep kecepatan lepas (kecepatan kosmik kedua). Lubang hitam adalah objek yang sangat padat sehingga gravitasinya bahkan mampu menahan cahaya, yang menghasilkan kecepatan tertinggi di alam (hampir 300.000 km/s). Dalam praktiknya, untuk keluar dari lubang hitam membutuhkan kecepatan yang lebih besar dari kecepatan cahaya, tetapi ini tidak mungkin!

Artinya, bintang semacam ini tidak akan terlihat, karena cahaya pun tidak akan mampu mengatasi gravitasinya yang kuat. Einstein menjelaskan fakta ini melalui fenomena pembelokan cahaya akibat pengaruh medan gravitasi. Kenyataannya, di dekat lubang hitam, ruang-waktu sangat melengkung sehingga lintasan sinar cahaya juga menutup dengan sendirinya. Untuk mengubah Matahari menjadi lubang hitam, kita harus memusatkan seluruh massanya dalam sebuah bola dengan radius 3 km, dan Bumi harus berubah menjadi bola dengan radius 9 mm!

Jenis lubang hitam

Sekitar sepuluh tahun yang lalu, pengamatan menunjukkan adanya dua jenis lubang hitam: lubang hitam bintang, yang massanya sebanding dengan massa Matahari atau sedikit melebihi massa Matahari, dan supermasif, yang massanya berkisar antara beberapa ratus ribu hingga jutaan massa Matahari. . Namun, baru-baru ini, gambar sinar-X dan spektrum resolusi tinggi yang diperoleh dari satelit buatan seperti Chandra dan XMM-Newton memunculkan jenis lubang hitam ketiga - dengan massa rata-rata melebihi massa Matahari sebanyak ribuan kali. .

Lubang hitam bintang

Lubang hitam bintang diketahui lebih awal dibandingkan lubang hitam lainnya. Mereka terbentuk ketika sebuah bintang bermassa besar, di akhir jalur evolusinya, menghabiskan cadangan bahan bakar nuklirnya dan runtuh karena gravitasinya sendiri. Ledakan yang mengguncang sebuah bintang (fenomena yang dikenal sebagai “ledakan supernova”) mempunyai konsekuensi bencana: jika inti bintang lebih dari 10 kali massa Matahari, tidak ada gaya nuklir yang dapat menahan keruntuhan gravitasi yang akan mengakibatkan penciptaan dari lubang hitam.

Lubang hitam supermasif

Lubang hitam supermasif, yang pertama kali ditemukan di inti beberapa galaksi aktif, memiliki asal usul yang berbeda. Ada beberapa hipotesis mengenai kelahiran mereka: lubang hitam bintang, yang selama jutaan tahun melahap semua bintang di sekitarnya; sekelompok lubang hitam yang menyatu; awan gas raksasa yang runtuh langsung ke dalam lubang hitam. Lubang hitam ini adalah salah satu objek paling energik di luar angkasa. Mereka terletak di pusat banyak, jika tidak semua, galaksi. Galaksi kita juga memiliki lubang hitam. Terkadang, karena adanya lubang hitam, inti galaksi tersebut menjadi sangat terang. Galaksi dengan lubang hitam di pusatnya, dikelilingi oleh sejumlah besar materi yang jatuh sehingga mampu menghasilkan energi dalam jumlah besar, disebut "aktif" dan intinya disebut "inti galaksi aktif" (AGN). Misalnya, quasar (objek kosmik terjauh dari kita yang dapat diamati oleh kita) adalah galaksi aktif di mana kita hanya melihat inti yang sangat terang.

Sedang dan mini

Misteri lainnya adalah lubang hitam bermassa sedang, yang menurut penelitian terbaru, mungkin berada di pusat beberapa gugus bola, seperti M13 dan NCC 6388. Banyak astronom yang skeptis terhadap objek ini, namun beberapa penelitian baru menunjukkan adanya lubang hitam berukuran sedang bahkan di dekat pusat Galaksi kita. Fisikawan Inggris Stephen Hawking juga mengemukakan asumsi teoretis tentang keberadaan lubang hitam jenis keempat - sebuah "lubang mini" dengan massa hanya satu miliar ton (yang kira-kira sama dengan massa gunung besar). Kita berbicara tentang benda-benda primer, yaitu benda-benda yang muncul pada saat-saat pertama kehidupan Alam Semesta, ketika tekanannya masih sangat tinggi. Namun, belum ada satu pun jejak keberadaan mereka yang ditemukan.

Cara menemukan lubang hitam

Beberapa tahun yang lalu, cahaya muncul di atas lubang hitam. Berkat instrumen dan teknologi yang terus ditingkatkan (baik di darat maupun di luar angkasa), objek-objek ini menjadi semakin tidak misterius; lebih tepatnya, ruang di sekitar mereka menjadi kurang misterius. Faktanya, karena lubang hitam itu sendiri tidak terlihat, kita hanya dapat mengenalinya jika ia dikelilingi oleh cukup banyak materi (bintang dan gas panas) yang mengorbit di sekitarnya dalam jarak dekat.

Menonton sistem biner

Beberapa lubang hitam bintang telah ditemukan dengan mengamati gerakan orbit sebuah bintang di sekitar bintang pendampingnya yang tak terlihat dalam sistem biner. Sistem biner dekat (yaitu, terdiri dari dua bintang yang sangat dekat satu sama lain), di mana salah satu bintang pendampingnya tidak terlihat, adalah objek observasi favorit bagi ahli astrofisika yang mencari lubang hitam.

Indikasi keberadaan lubang hitam (atau bintang neutron) adalah kuatnya pancaran sinar-X yang disebabkan oleh mekanisme kompleks yang secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut. Berkat gravitasinya yang kuat, lubang hitam dapat merobek materi dari bintang pendampingnya; gas ini menyebar ke piringan datar dan berputar ke dalam lubang hitam. Gesekan akibat tumbukan antar partikel gas yang jatuh memanaskan lapisan dalam piringan hingga beberapa juta derajat, yang menyebabkan radiasi sinar-X yang kuat.

Pengamatan sinar-X

Pengamatan sinar-X terhadap objek-objek di Galaksi kita dan galaksi-galaksi tetangganya, yang dilakukan selama beberapa dekade, telah memungkinkan untuk mendeteksi sumber biner kompak, sekitar selusin di antaranya merupakan sistem yang mengandung kandidat lubang hitam. Masalah utamanya adalah menentukan massa benda langit yang tidak terlihat. Massa (meskipun tidak terlalu tepat) dapat ditemukan dengan mempelajari gerakan pendampingnya atau, yang lebih sulit lagi, dengan mengukur intensitas radiasi sinar-X dari material yang jatuh. Intensitas ini dihubungkan oleh persamaan massa benda tempat zat tersebut jatuh.

Pemenang Nobel

Hal serupa juga berlaku untuk lubang hitam supermasif yang diamati di inti banyak galaksi, yang massanya diperkirakan dengan mengukur kecepatan orbit gas yang jatuh ke dalam lubang hitam. Dalam hal ini, disebabkan oleh kuatnya medan gravitasi suatu benda yang sangat besar, peningkatan pesat kecepatan awan gas yang mengorbit di pusat galaksi terdeteksi oleh pengamatan dalam jangkauan radio, serta sinar optik. Pengamatan dalam rentang sinar-X dapat memastikan peningkatan pelepasan energi yang disebabkan oleh materi yang jatuh ke dalam lubang hitam. Penelitian sinar-X dimulai pada awal tahun 1960-an oleh Riccardo Giacconi dari Italia, yang bekerja di AS. Hadiah Nobelnya pada tahun 2002 mengakui "kontribusi perintisnya pada astrofisika yang mengarah pada penemuan sumber sinar-X di luar angkasa."

Cygnus X-1: kandidat pertama

Galaksi kita tidak kebal terhadap kehadiran calon objek lubang hitam. Untungnya, tidak satu pun dari benda-benda tersebut yang cukup dekat dengan kita sehingga dapat menimbulkan ancaman bagi keberadaan Bumi atau tata surya. Meskipun sejumlah besar sumber sinar-X kompak yang telah diidentifikasi (dan kemungkinan besar ini adalah kandidat lubang hitam), kami tidak yakin bahwa sumber tersebut benar-benar mengandung lubang hitam. Satu-satunya di antara sumber-sumber ini yang tidak memiliki versi alternatif adalah sistem biner dekat Cygnus X-1, yaitu sumber radiasi sinar-X paling terang di konstelasi Cygnus.

Bintang besar

Sistem ini, yang periode orbitnya 5,6 hari, terdiri dari bintang biru yang sangat terang berukuran besar (diameternya 20 kali lipat Matahari, dan massanya sekitar 30 kali lebih besar), mudah terlihat bahkan dengan teleskop Anda, dan sebuah bintang kedua yang tidak terlihat, yang massanya diperkirakan beberapa massa matahari (hingga 10). Terletak 6.500 tahun cahaya jauhnya, bintang kedua akan terlihat sempurna jika itu adalah bintang biasa. Sifatnya yang tidak terlihat, emisi sinar-X yang kuat yang dihasilkan oleh sistem, dan, akhirnya, perkiraan massanya membuat sebagian besar astronom percaya bahwa ini adalah penemuan lubang hitam bintang yang pertama dan terkonfirmasi.

Keraguan

Namun, ada juga yang skeptis. Diantaranya adalah salah satu peneliti lubang hitam terbesar, fisikawan Stephen Hawking. Dia bahkan bertaruh dengan rekannya dari Amerika Keel Thorne, seorang pendukung setia mengklasifikasikan objek Cygnus X-1 sebagai lubang hitam.

Perdebatan mengenai identitas objek Cygnus X-1 bukanlah satu-satunya pilihan Hawking. Setelah mengabdikan sembilan tahun untuk studi teoretis tentang lubang hitam, ia menjadi yakin akan kekeliruan gagasan sebelumnya tentang objek misterius ini. Secara khusus, Hawking berasumsi bahwa materi, setelah jatuh ke dalam lubang hitam, menghilang selamanya, dan dengan itu semua bagasi informasinya hilang. Dia sangat yakin akan hal ini sehingga dia bertaruh pada topik ini pada tahun 1997 dengan rekannya dari Amerika John Preskill.

Mengakui kesalahan

Pada tanggal 21 Juli 2004, dalam pidatonya di Kongres Teori Relativitas di Dublin, Hawking mengakui bahwa Preskill benar. Lubang hitam tidak menyebabkan hilangnya materi sepenuhnya. Terlebih lagi, mereka memiliki “ingatan” tertentu. Mereka mungkin mengandung jejak dari apa yang telah mereka konsumsi. Jadi, dengan “menguap” (yaitu, memancarkan radiasi secara perlahan akibat efek kuantum), mereka dapat mengembalikan informasi ini ke Alam Semesta kita.

Lubang hitam di Galaksi

Para astronom masih meragukan keberadaan lubang hitam bintang (seperti yang dimiliki sistem biner Cygnus X-1) di Galaksi kita; namun keraguan mengenai lubang hitam supermasif jauh lebih sedikit.

Berada di tengah

Galaksi kita memiliki setidaknya satu lubang hitam supermasif. Sumbernya, yang dikenal sebagai Sagitarius A*, tepatnya terletak di tengah bidang Bima Sakti. Namanya dijelaskan oleh fakta bahwa ini adalah sumber radio paling kuat di konstelasi Sagitarius. Di arah inilah pusat geometris dan fisik sistem galaksi kita berada. Terletak sekitar 26.000 tahun cahaya jauhnya, lubang hitam supermasif yang terkait dengan sumber gelombang radio Sagitarius A* diperkirakan memiliki massa sekitar 4 juta massa matahari, terkandung dalam ruang yang volumenya sebanding dengan volume tata surya. Jaraknya yang relatif dekat dengan kita (lubang hitam supermasif ini tidak diragukan lagi adalah yang paling dekat dengan Bumi) telah menyebabkan objek tersebut menjadi sasaran studi mendalam oleh observatorium luar angkasa Chandra dalam beberapa tahun terakhir. Ternyata, khususnya, ia juga merupakan sumber radiasi sinar-X yang kuat (tetapi tidak sekuat sumber di inti galaksi aktif). Sagitarius A* mungkin merupakan sisa-sisa aktif dari inti aktif Galaksi kita jutaan atau miliaran tahun yang lalu.

Lubang hitam kedua?

Namun, beberapa astronom yakin ada kejutan lain di Galaksi kita. Kita berbicara tentang lubang hitam kedua bermassa rata-rata, yang menyatukan sekelompok bintang muda dan mencegah mereka jatuh ke dalam lubang hitam supermasif yang terletak di pusat Galaksi itu sendiri. Bagaimana mungkin pada jarak kurang dari satu tahun cahaya darinya terdapat gugus bintang yang usianya hampir 10 juta tahun, yang menurut standar astronomi, sangat muda? Menurut para peneliti, jawabannya adalah bahwa cluster tersebut tidak lahir di sana (lingkungan di sekitar pusat lubang hitam terlalu tidak bersahabat untuk pembentukan bintang), tetapi “ditarik” ke sana karena adanya lubang hitam kedua di dalamnya, yang mempunyai massa rata-rata.

Di orbit

Bintang-bintang individual dalam gugus tersebut, yang tertarik oleh lubang hitam supermasif, mulai bergeser menuju pusat galaksi. Namun, alih-alih berhamburan ke luar angkasa, mereka tetap berkumpul berkat tarikan gravitasi lubang hitam kedua yang terletak di pusat gugus. Massa lubang hitam ini dapat diperkirakan berdasarkan kemampuannya mengikat seluruh gugus bintang. Sebuah lubang hitam berukuran sedang tampaknya membutuhkan waktu sekitar 100 tahun untuk mengorbit pusat lubang hitam. Artinya, pengamatan jangka panjang selama bertahun-tahun akan memungkinkan kita “melihatnya”.

Lubang hitam adalah suatu wilayah astronomi dalam ruang dan waktu di mana gaya tarik gravitasinya cenderung tak terhingga. Untuk bisa lolos dari lubang hitam, benda harus mencapai kecepatan yang jauh lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Dan karena hal ini tidak mungkin, bahkan kuanta cahaya itu sendiri tidak dipancarkan dari wilayah lubang hitam. Dari sini dapat disimpulkan bahwa wilayah lubang hitam sama sekali tidak terlihat oleh pengamat, tidak peduli seberapa jauh jaraknya darinya. Oleh karena itu, ukuran dan massa lubang hitam dapat dideteksi dan ditentukan hanya dengan menganalisis situasi dan perilaku objek yang terletak di sebelahnya.

Pada Simposium Astrofisika Relativistik ke-20 di Texas pada tahun 2001, astronom Carl Gebhardt dan John Kormendy melakukan pengukuran praktis terhadap massa lubang hitam di dekatnya, sehingga memberikan para astronom kemampuan untuk memperoleh informasi tentang pertumbuhan lubang hitam. Dengan menggunakan metode ini, 19 lubang hitam baru tercipta selain 19 lubang hitam yang sudah diketahui saat itu. Semuanya berukuran supermasif dan berbobot antara satu hingga satu miliar massa matahari. Mereka terletak di pusat galaksi.

Metode pengukuran massa didasarkan pada pengamatan pergerakan bintang dan gas di dekat pusat galaksinya. Pengukuran tersebut hanya dapat dilakukan pada resolusi spasial tinggi, yang dapat dilakukan oleh teleskop luar angkasa seperti Hubble atau NuSTAR. Inti dari metode ini adalah menganalisis variabilitas quasar dan sirkulasi gas besar di sekitar lubang. Kecerahan awan gas yang berputar secara langsung bergantung pada energi sinar-X lubang hitam. Karena cahaya memiliki kecepatan yang ditentukan secara ketat, perubahan kecerahan awan gas terlihat oleh pengamat lebih lambat daripada perubahan kecerahan sumber radiasi pusat. Dengan menggunakan perbedaan waktu, jarak dari awan gas ke pusat lubang hitam dihitung. Bersamaan dengan kecepatan rotasi awan gas, massa lubang hitam juga dihitung. Namun, metode ini mengandung ketidakpastian, karena tidak ada cara untuk memverifikasi kebenaran hasil akhir. Di sisi lain, data yang diperoleh dengan metode ini sesuai dengan hubungan antara massa lubang hitam dan massa galaksi.

Metode klasik untuk mengukur massa lubang hitam, yang diusulkan oleh Schwarzschild sezaman dengan Einstein, dijelaskan dengan rumus M=r*c^2/2G, dengan r adalah jari-jari gravitasi lubang hitam, c adalah kecepatan cahaya , G adalah konstanta gravitasi. Namun, yang satu ini secara akurat menggambarkan massa lubang hitam yang terisolasi, tidak berputar, tidak bermuatan, dan tidak menguap.

Cara yang benar-benar baru untuk menentukan massa lubang hitam, yang memungkinkan penemuan dan studi lubang hitam “rata-rata”. Hal ini didasarkan pada analisis interferensi radio terhadap pancaran - lontaran materi yang terbentuk ketika lubang hitam menyerap massa dari piringan yang mengelilinginya. Kecepatan jet bisa lebih tinggi dari setengah kecepatan cahaya. Dan karena massa yang dipercepat hingga kecepatan tersebut memancarkan sinar-X, maka massa tersebut dapat direkam oleh interferometer radio. Metode pemodelan matematis jet semacam itu memungkinkan diperolehnya nilai massa rata-rata lubang hitam yang lebih akurat.

Pada bulan Juli tahun lalu, sebuah artikel oleh sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh karyawan Universitas Toulouse diterbitkan di Nature; kelompok tersebut sedang mencari sumber sinar-X yang sangat kuat - objek yang luminositasnya melebihi luminositas maksimum yang mungkin untuk massa bintang; objek. Dengan menggunakan pengamatan dari teleskop luar angkasa sinar-X Newton milik Badan Antariksa Eropa (ESA), para ilmuwan menemukan ESO 243-29 di galaksi, yang berjarak 300 juta tahun cahaya (sementara cahaya dari Matahari hanya membutuhkan waktu 8 menit untuk mencapai Bumi, dan dari jarak terdekatnya, bintang non-Matahari telah mendekati kita selama lebih dari empat tahun), sumber sinar-X yang sangat terang. Luminositas maksimum objek ini adalah 1.1.10 42 erg/s, yang misalnya 260 juta kali lebih tinggi daripada luminositas Matahari dalam rentang sinar-X. Sumber tersebut diberi nama HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), yang diterjemahkan sebagai “sumber sinar-X yang sangat kuat nomor satu”.

Penilaian kecerahan memungkinkan para ilmuwan berasumsi bahwa objek ini adalah lubang hitam dengan berat setidaknya 500 massa matahari.

Hingga saat ini, para astronom hanya mengamati bukti adanya dua jenis lubang hitam – beberapa supermasif dan lainnya bermassa bintang.

Salah satu jenisnya adalah lubang hitam, yang massanya sebanding dengan massa bintang (3-20 massa matahari). Lubang-lubang ini muncul pada akhir kehidupan bintang-bintang masif, dan para astronom saat ini mengetahui beberapa lusin objek serupa. Tetapi lubang hitam yang jauh lebih besar (dengan massa sekitar 10 9 massa matahari atau lebih) diketahui - jumlahnya telah melebihi seribu. Hal ini mudah dijelaskan oleh fakta bahwa para astronom mengetahui di mana mencari lubang tersebut: lubang tersebut terletak di inti galaksi.

Menurut teori yang cukup umum, lubang hitam supermasif terbentuk sebagai hasil penggabungan lubang hitam bermassa lebih kecil. Namun, lubang hitam bermassa menengah belum pernah ditemukan, dan para ilmuwan yang bekerja dalam bidang ini sejauh ini tidak punya apa-apa untuk dibanggakan kecuali beberapa kandidat yang tidak menonjol.

Selama setahun terakhir, para ilmuwan telah melakukan pengamatan baru dan mengkonfirmasi asumsi mereka bahwa HLX-1 adalah lubang hitam bermassa menengah.

Selama penelitian, para ilmuwan mengamati HLX-1 di teleskop VLT milik European Southern Observatory (ESO) di Chili. Dengan menggunakan pengamatan optik, mereka dapat menentukan jarak yang tepat ke objek tersebut dan memastikan bahwa objek tersebut “memang terletak di galaksi ini dan bukan merupakan bintang atau sumber latar belakang”.

“Setelah penelitian kami sebelumnya, kami benar-benar ingin mengetahui seberapa benar model yang kami usulkan dengan kenyataan,” kata Klaas Wiersema, penulis utama makalah tersebut. “Dalam gambar yang diambil dari teleskop besar, kami melihat sumber optik kecil di lokasi objek sinar-X kami. Pengamatan VLT mengkonfirmasi bahwa emisi optik ini berhubungan dengan HLX-1. Kami menentukan jarak pasti ke objek tersebut dan memastikan bahwa terdapat lubang hitam di sana. Sekarang kami ingin mencari tahu mengapa sumber ini bersinar begitu terang dalam sinar-X dan bagaimana sumber tersebut bisa masuk ke galaksi yang lebih besar."

Sebelumnya sumber sinar-X dianggap seterang HLX-1 tidak mungkin seterang itu karena lubang hitam harus menyerap sebagian besar cahaya yang melewatinya.

“Sangat sulit menjelaskan fisika objek ini tanpa kehadiran lubang hitam dengan massa antara 500 dan 10.000 massa matahari,” kata salah satu penulis makalah, Sean Farrell. “Jadi, namun hanya untuk saat ini, sumber HLX-1 berada di luar kendali komunitas astronomi internasional.”

Rencana masa depan para ilmuwan mencakup observasi dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan upaya untuk menemukan sumber lain yang serupa dengan HLX-1.

Lubang hitam di Alam Semesta

Lubang hitam adalah objek kosmik yang terbentuk selama kompresi gravitasi tak terbatas (keruntuhan gravitasi) dari benda-benda kosmik masif. Keberadaan benda-benda tersebut diprediksi oleh teori relativitas umum. Istilah “lubang hitam” sendiri diperkenalkan ke dalam sains oleh fisikawan Amerika John Wheeler pada tahun 1968 untuk merujuk pada bintang yang runtuh.

Lubang hitam adalah suatu wilayah di ruang angkasa yang muncul sebagai akibat dari keruntuhan gravitasi materi secara menyeluruh, yang daya tarik gravitasinya begitu kuat sehingga baik materi, cahaya, maupun pembawa informasi lainnya tidak dapat meninggalkannya. Oleh karena itu, bagian dalam lubang hitam tidak terhubung secara kausal dengan seluruh alam semesta; Proses fisik yang terjadi di dalam lubang hitam tidak dapat mempengaruhi proses di luarnya. Lubang hitam dikelilingi oleh permukaan yang memiliki sifat membran searah: materi dan radiasi bebas jatuh melaluinya ke dalam lubang hitam, tetapi tidak ada yang bisa lolos dari sana. Permukaan ini disebut “cakrawala peristiwa”. Karena masih ada indikasi tidak langsung keberadaan lubang hitam pada jarak ribuan tahun cahaya dari Bumi, presentasi kami selanjutnya terutama didasarkan pada hasil teoretis.

Para astronom telah menyimpulkan bahwa lubang hitam tidak dilahirkan berukuran besar, tetapi secara bertahap tumbuh dengan mengorbankan gas dan bintang-bintang di galaksi. Data menunjukkan bahwa lubang hitam raksasa tidak mendahului lahirnya galaksi, tetapi berevolusi seiring dengan lahirnya galaksi, menyerap persentase tertentu dari massa bintang dan gas di wilayah tengah galaksi. Ini berarti bahwa di galaksi yang lebih kecil, lubang hitam berukuran kurang masif, dengan massa hanya beberapa juta massa matahari. Lubang hitam di pusat galaksi raksasa mengandung miliaran massa matahari. Masalahnya adalah massa akhir lubang hitam terbentuk selama pembentukan galaksi. Dalam beberapa kasus, lubang hitam tumbuh lebih besar tidak hanya dengan mengonsumsi gas dari satu galaksi, tetapi juga dengan menggabungkan galaksi, yang menyebabkan lubang hitam di dalamnya bergabung.

Pembentukan lubang hitam

Lubang hitam terbentuk akibat runtuhnya bintang neutron raksasa yang bermassa lebih dari 3 massa matahari. Saat dikompresi, medan gravitasinya menjadi semakin padat. Akhirnya, bintang menyusut sedemikian rupa sehingga cahaya tidak mampu lagi mengatasi gravitasinya. Jari-jari yang harus dikecilkan oleh sebuah bintang untuk menjadi lubang hitam disebut jari-jari gravitasi. Untuk bintang masif, jaraknya beberapa puluh kilometer. Karena lubang hitam tidak bersinar, satu-satunya cara untuk menilainya adalah dengan mengamati pengaruh medan gravitasinya terhadap benda lain. Terdapat bukti tidak langsung mengenai keberadaan lubang hitam di lebih dari 10 bintang biner sinar-X jarak dekat. Hal ini didukung, pertama, oleh tidak adanya manifestasi yang diketahui dari karakteristik permukaan padat dari pulsar sinar-X atau ledakan sinar-X, dan, kedua, oleh besarnya massa komponen sistem biner yang tidak terlihat (lebih dari 3 massa matahari). Salah satu kandidat lubang hitam yang paling mungkin adalah sumber sinar-X paling terang di konstelasi Cygnus - Cygnus X-1.

Menurut konsep modern, ada empat skenario terbentuknya lubang hitam:

1. Keruntuhan gravitasi (bencana kompresi) dari sebuah bintang yang cukup masif (lebih dari 3,6 massa matahari) pada tahap akhir evolusinya.

2. Runtuhnya bagian tengah galaksi atau gas progalaksi. Ide-ide terkini menempatkan lubang hitam besar di pusat banyak, jika tidak semua, galaksi spiral dan elips. Misalnya, di tengah galaksi 3. 3. 3. kita terdapat lubang hitam Sagitarius A* dengan massa 4,31x10 6 M, yang mengelilinginya lubang hitam yang lebih kecil berputar.

4. Terbentuknya lubang hitam pada momen Big Bang akibat fluktuasi medan gravitasi dan/atau materi. Lubang hitam seperti ini disebut primordial.

Evolusi lubang hitam

Para ilmuwan memiliki bukti kuat mengenai keberadaan dua kelas lubang hitam yang berbeda: yang pertama adalah lubang hitam dengan massa bintang sekitar 10 kali Matahari, yang kedua adalah lubang hitam supermasif, yang terletak di pusat galaksi dan memiliki massa berkisar antara ratusan. ribuan hingga miliaran massa matahari. Tapi bagaimana lubang hitam bermassa menengah terbentuk dan ada masih menjadi misteri? Kita berbicara tentang apa yang disebut lubang hitam dengan massa menengah antara 100 dan 10.000 massa matahari.

Bukti asal usul benda-benda ini masih kontroversial. Hingga saat ini, belum ada lebih dari satu lubang hitam serupa yang ditemukan di satu galaksi. Namun tim peneliti telah menemukan, melalui mempelajari data sinar-X, dua lubang hitam bermassa sedang di galaksi M82, yang terletak sekitar 12 juta tahun cahaya dari Bumi.

Berdasarkan karakteristik radiasi yang dipancarkan lubang hitam di M82, peneliti menyimpulkan bahwa massa salah satu lubang hitam berkisar antara 12 hingga 43 ribu massa matahari, dan massa lubang hitam kedua berkisar antara 200 hingga 800 massa matahari. Objek pertama terletak 290 tahun cahaya dari pusat galaksi M82. Objek kedua terletak pada jarak proyeksi 600 tahun cahaya dari pusat galaksi.

“Untuk pertama kalinya, dua lubang hitam bermassa sedang ditemukan di galaksi yang sama,” kata salah satu peneliti, Hua Feng dari Universitas Tsinghua, China. “Lokasinya di dekat pusat galaksi mungkin berisi informasi tentang asal usulnya lubang hitam terbesar di alam semesta, seperti lubang hitam supermasif, yang ditemukan di pusat sebagian besar galaksi."

Salah satu kemungkinan mekanisme pembentukan lubang hitam supermasif adalah reaksi berantai tumbukan antara bintang dan gugus bintang kompak, yang mengarah pada akumulasi objek yang sangat masif, yang kemudian terbentuk menjadi lubang hitam bermassa menengah. Selanjutnya, lubang hitam perantara tertarik ke pusat galaksi dan bergabung dengan lubang hitam supermasif di pusat galaksi.

“Kami tidak dapat memastikan apakah proses pembentukan lubang hitam serupa di M82 mendukung teori ini, namun kami mengetahui bahwa kedua lubang hitam berukuran sedang ini terletak di dekat gugus bintang,” kata Phil Caret dari Iowa State University, salah satu dari penulis makalah tersebut. “Selain itu, M82 adalah galaksi terdekat dengan kita yang kondisinya mirip dengan alam semesta awal, dengan kehadiran sejumlah besar bintang.”

Hingga saat ini, para astronom belum mengetahui secara pasti apakah dua lubang hitam bermassa sedang bisa hadir di galaksi yang sama. Mungkin penemuan ini akan menjelaskan proses pembentukan dan evolusi lubang hitam supermasif di galaksi.

Jenis lubang hitam

Lubang hitam bermassa bintang. Lubang hitam bermassa bintang terbentuk sebagai tahap akhir dalam kehidupan sebuah bintang; setelah bahan bakar termonuklir habis terbakar dan reaksinya berhenti, secara teoritis bintang tersebut akan mulai mendingin, yang akan menyebabkan penurunan tekanan internal dan kompresi bintang di bawah pengaruh gravitasi. Kompresi bisa berhenti pada tahap tertentu, atau bisa berubah menjadi keruntuhan gravitasi yang cepat. Bergantung pada massa dan momentum sudut bintang, keadaan akhir berikut mungkin terjadi:

Bintang yang sudah punah dan sangat padat, bergantung pada massanya, terutama terdiri dari helium, karbon, oksigen, neon, magnesium, silikon, atau besi (elemen utama diurutkan berdasarkan peningkatan massa bintang sisa). Sisa-sisa tersebut disebut katai putih, dan massanya dibatasi di atas oleh batas Chandrasekhar.

Bintang neutron yang massanya dibatasi oleh batas Oppenheimer-Volkov.

Lubang hitam.

Ketika massa sisa bintang bertambah, konfigurasi kesetimbangan bergerak ke bawah sepanjang urutan yang dijelaskan. Torsi meningkatkan massa maksimum pada setiap tahap, tetapi tidak secara kualitatif, tetapi secara kuantitatif (maksimum 2-3 kali lipat).

Kondisi (terutama massa) di mana keadaan akhir evolusi bintang adalah lubang hitam belum dipelajari dengan cukup baik, karena hal ini memerlukan pengetahuan tentang perilaku dan keadaan materi pada kepadatan yang sangat tinggi yang tidak dapat diakses oleh studi eksperimental. Pemodelan bintang pada tahap akhir evolusinya menghadirkan kesulitan tambahan karena kompleksitas komposisi kimia yang muncul dan penurunan tajam dalam karakteristik waktu proses. Cukuplah untuk menyebutkan bahwa beberapa bencana kosmik terbesar, ledakan supernova, terjadi tepat pada tahap evolusi bintang ini. Berbagai model memberikan perkiraan yang lebih rendah mengenai massa lubang hitam akibat keruntuhan gravitasi dari 2,5 hingga 5,6 massa matahari. Jari-jari lubang hitam sangat kecil - beberapa puluh kilometer.

Selanjutnya, lubang hitam dapat tumbuh karena penyerapan materi - biasanya, ini adalah gas dari bintang tetangga dalam sistem bintang biner (tabrakan lubang hitam dengan objek astronomi lainnya sangat kecil kemungkinannya karena diameternya yang kecil. ). Proses jatuhnya gas ke objek astrofisika padat apa pun, termasuk lubang hitam, disebut akresi. Dalam hal ini, karena perputaran gas, piringan akresi terbentuk, di mana materi berakselerasi hingga kecepatan relativistik, memanas dan, sebagai akibatnya, memancarkan radiasi yang kuat, termasuk dalam rentang sinar-X, yang memungkinkannya. pada prinsipnya untuk mendeteksi cakram akresi (dan, akibatnya, lubang hitam) menggunakan teleskop ultraviolet dan sinar-X. Masalah utamanya adalah kecilnya ukuran dan sulitnya mencatat perbedaan cakram akresi bintang neutron dan lubang hitam, sehingga menimbulkan ketidakpastian dalam identifikasi objek astronomi yang memiliki lubang hitam. Perbedaan utamanya adalah bahwa gas yang jatuh pada semua benda cepat atau lambat akan bertemu dengan permukaan padat, yang menyebabkan radiasi intens saat pengereman, namun awan gas yang jatuh pada lubang hitam, karena pelebaran waktu gravitasi yang meningkat tanpa batas (pergeseran merah), akan memudar begitu saja. secepat ia mendekati cakrawala peristiwa, seperti yang diamati dengan teleskop Hubble dalam kasus sumber Cygnus X-1.

Tabrakan lubang hitam dengan bintang lain, serta tumbukan bintang neutron yang menyebabkan terbentuknya lubang hitam, menghasilkan radiasi gravitasi yang kuat, yang diperkirakan dapat dideteksi di tahun-tahun mendatang menggunakan teleskop gravitasi. Saat ini terdapat laporan pengamatan tabrakan pada rentang sinar-X. Pada tanggal 25 Agustus 2011, muncul pesan bahwa untuk pertama kalinya dalam sejarah ilmu pengetahuan, sekelompok spesialis Jepang dan Amerika pada bulan Maret 2011 mampu merekam momen matinya sebuah bintang yang ditelan lubang hitam.

Lubang hitam supermasif. Lubang hitam yang sangat masif, menurut gagasan modern, membentuk inti sebagian besar galaksi. Ini termasuk lubang hitam besar di inti galaksi kita – Sagitarius A

Saat ini, keberadaan lubang hitam berskala bintang dan galaksi dianggap oleh sebagian besar ilmuwan dapat dibuktikan secara andal melalui pengamatan astronomi.

Para astronom Amerika telah menemukan bahwa massa lubang hitam supermasif mungkin terlalu diremehkan. Para peneliti telah menemukan bahwa agar bintang-bintang dapat bergerak di galaksi M87 (yang terletak 50 juta tahun cahaya dari Bumi) seperti yang diamati sekarang, massa lubang hitam pusat harus setidaknya 6,4 miliar massa matahari, yaitu dua kali lipat massa matahari. perkiraan inti M87 saat ini, yaitu 3 miliar massa matahari.

Untuk lubang hitam di inti galaksi, jari-jari gravitasinya adalah 3 · 10 15 cm = 200 AU. Artinya, lima kali lipat jarak Matahari ke Pluto. Massa jenis kritisnya adalah 0,2 · 10 -3 g/cm³, yang beberapa kali lebih kecil dari massa jenis udara.

Lubang hitam purba saat ini berstatus hipotesis. Jika pada saat-saat awal kehidupan Alam Semesta terdapat cukup penyimpangan dari keseragaman medan gravitasi dan kepadatan materi, maka lubang hitam dapat terbentuk darinya melalui keruntuhan. Selain itu, massanya tidak dibatasi dari bawah, seperti pada keruntuhan bintang - massanya mungkin cukup kecil. Penemuan lubang hitam primordial menjadi menarik karena kemungkinan mempelajari fenomena penguapan lubang hitam.

Lubang hitam kuantum. Diasumsikan bahwa lubang hitam mikroskopis yang stabil, yang disebut lubang hitam kuantum, dapat muncul sebagai akibat dari reaksi nuklir. Untuk deskripsi matematis benda-benda tersebut, diperlukan teori gravitasi kuantum. Namun, dari pertimbangan umum, kemungkinan besar spektrum massa lubang hitam bersifat diskrit dan terdapat lubang hitam minimal – lubang hitam Planck. Massanya sekitar 10 −5 g, jari-jarinya 10 −35 m. Panjang gelombang Compton lubang hitam Planck besarnya sama dengan jari-jari gravitasinya.

Bahkan jika lubang hitam kuantum memang ada, masa hidupnya sangat singkat, sehingga deteksi langsungnya menjadi sangat sulit.

Baru-baru ini, percobaan telah diusulkan untuk mendeteksi bukti adanya lubang hitam dalam reaksi nuklir. Namun, untuk sintesis langsung lubang hitam di akselerator, diperlukan energi sebesar 10 26 eV, yang tidak dapat dicapai saat ini. Tampaknya, dalam reaksi energi ultra-tinggi, lubang hitam perantara virtual dapat muncul.

Eksperimen tumbukan proton-proton dengan energi total 7 TeV di Large Hadron Collider menunjukkan bahwa energi tersebut tidak cukup untuk membentuk lubang hitam mikroskopis. Berdasarkan data ini, disimpulkan bahwa lubang hitam mikroskopis seharusnya lebih berat dari 3,5–4,5 TeV, bergantung pada implementasi spesifiknya.