Kuasar

Lubang hitam yang makan begitu cepat hingga mengalahkan terang seluruh galaksinya

Langkah demi langkah

Bintang yang bukan bintang

Pada 1963 Maarten Schmidt menemukan bahwa titik cahaya redup bernama 3C 273 bukan bintang: cahayanya teregang oleh alam semesta yang mengembang dalam perjalanan sekitar 2 miliar tahun.

3C 273 mula-mula dikenal sebagai sumber gelombang radio, yang ke-273 dalam katalog Cambridge ketiga. Pada 1962 Bulan melintas di depannya, dan saat gelombang radionya lenyap menunjukkan letaknya. Di sana ada bintang yang tampak biasa, bermagnitudo 13, dengan guratan samar di sampingnya.

Spektrumnya tak masuk akal sampai Schmidt melihat bahwa itu pola hidrogen yang sudah dikenal, bergeser hampir 16% ke merah. Hanya pengembangan alam semesta yang bisa berbuat begitu, jadi cahayanya sudah menempuh perjalanan sekitar 2 miliar tahun. Sesuatu yang seterang itu dari sejauh itu pasti luar biasa kuat. Benda semacam ini dinamai sumber radio mirip bintang: kuasar.

Lebih terang dari seratus Bima Sakti

3C 273 bersinar seperti 4 triliun Matahari, sekitar seratus kali seluruh Bima Sakti, dan berkedip dalam hitungan hari: semua cahaya itu berasal dari daerah selebar beberapa hari cahaya saja.

Di sekitar 3C 273 ada galaksi elips raksasa, tetapi di foto biasa galaksi itu lenyap dalam silau pusatnya. Hanya dengan koronagraf, yang menutup cahaya pusat seperti Bulan menutup Matahari saat gerhana, Hubble bisa melihatnya jelas pada 2024.

Andai 3C 273 berjarak 30 tahun cahaya, ia akan bersinar di langit kita seterang Matahari. Namun cahayanya berubah dalam hitungan hari, dan tak ada yang bisa menyala serentak lebih cepat daripada cahaya melintasinya: sumbernya hanya selebar beberapa hari cahaya, kira-kira seukuran Tata Surya kita.

Galaksinya digambar dari model sederhana galaksi elips raksasa; seberapa jauh lebih terang pusatnya mengikuti pengukuran.

Lubang hitam yang sedang makan

Di pusatnya ada lubang hitam bermassa sekitar 260 juta Matahari. Gas yang berpilin masuk dimampatkan dan dipanaskan dalam piringan sampai bersinar lebih terang daripada semua bintang galaksi itu bersama-sama.

Hampir setiap galaksi besar punya lubang hitam supermasif di jantungnya, dan kebanyakan tenang. Kuasar adalah lubang hitam yang sedang diberi makan: gas dari galaksinya, sering teraduk oleh tabrakan dengan galaksi lain, jatuh ke arahnya lebih cepat daripada yang bisa ditelan.

Gas tidak bisa jatuh lurus. Seperti air di lubang pembuangan, ia berpusar menjadi piringan datar, bergesekan dengan dirinya sendiri, kehilangan energi, dan perlahan berpilin ke dalam sambil memanas. Bayangan lubang hitam dan cahaya yang dibelokkan di sekitarnya digambar menurut relativitas umum; guratan piringan digambar.

Cahaya paling garang

Dekat lubang hitam, piringan paling terang dalam ultraungu. Jatuh ke dalamnya mengubah sekitar sepersepuluh massa gas menjadi cahaya: empat belas kali lebih banyak daripada fusi nuklir di bintang.

Materi yang jatuh ke lubang hitam makin cepat dan makin panas. Saat gas di piringan mencapai orbit stabil terdalam, beberapa kali ukuran cakrawala peristiwa, sekitar sepersepuluh massanya sudah menjadi panas dan cahaya, dan lebih lagi bila lubang hitamnya berputar cepat.

Matahari, yang meleburkan hidrogen menjadi helium, hanya mengubah 0,7% massa yang dibakarnya menjadi energi. Itu sebabnya lubang hitam yang makan adalah cahaya tetap paling kuat di alam semesta. Sisi piringan yang berputar ke arah kita tampak lebih terang dan lebih biru: gas yang bergerak dengan sebagian besar kecepatan cahaya memancarkan cahayanya ke depan.

Ultraungu tak terlihat; piringan digambar dengan warna panasnya.

Awan di orbit cepat

Lebih jauh ke luar, awan gas mengitari dengan kecepatan sekitar 3.000 km/detik, sekitar 145 hari cahaya dari pusat. Pada 2018 instrumen bernama GRAVITY melihatnya berputar, dan itulah cara lubang hitam ditimbang.

Cahaya kuasar menunjukkan garis lebar: warna tiap unsur tercoreng karena gas yang memancarkannya bergerak ribuan kilometer per detik, sebagian mendekati kita dan sebagian menjauh. Awan ini diterangi oleh piringan di dalamnya.

Pada 2018 GRAVITY, yang menyatukan empat teleskop 8 meter Very Large Telescope ESO menjadi satu, mengukur dari mana cahaya awan berasal di seluruh 3C 273 dan melihatnya berputar: mendekat di satu sisi dan menjauh di sisi lain. Seberapa cepat awan itu mengitari pada jarak itu memberi massa lubang hitam, sekitar 260 juta Matahari (GRAVITY Collaboration 2018).

Warna awan digambar: biru mendekat, merah menjauh. Putarannya dipercepat; satu orbit sebenarnya memakan waktu berabad-abad.

Jet yang melintasi galaksi

Sebagian gas tak pernah jatuh. Dilontarkan sepanjang sumbu hampir secepat cahaya, ia membentuk jet sepanjang 200.000 tahun cahaya, dua kali lebar Bima Sakti.

Dekat lubang hitam, medan magnet yang terpilin oleh piringan dan lubang yang berputar melontarkan sedikit gas sepanjang sumbu hampir secepat cahaya. Sekitar satu dari sepuluh kuasar punya jet cukup kuat untuk bersinar terang dalam gelombang radio.

Jet 3C 273 terlihat bahkan di foto Hubble biasa, guratan sepanjang sekitar 200.000 tahun cahaya. Simpul-simpul di dalamnya tampak melesat keluar lebih cepat daripada cahaya: ilusi, karena bergerak hampir lurus ke arah kita dengan kecepatan mendekati cahaya, sehingga cahayanya tiba berdesakan. Kembarannya, yang mengarah menjauhi kita, terlalu redup untuk dilihat.

Jet digambar biru pucat, seperti tampak di foto Hubble.

Yang paling terang

Kuasar paling terang yang diketahui, J0529-4351, bersinar seperti 500 triliun Matahari. Lubang hitamnya, 17 miliar Matahari, menelan gas lebih dari satu Matahari setiap hari.

J0529-4351 begitu terang sehingga selama puluhan tahun survei langit mencatatnya sebagai bintang. Pada 2024 tim yang dipimpin Christian Wolf menunjukkan dengan Very Large Telescope ESO bahwa itu kuasar yang cahayanya berangkat lebih dari 12 miliar tahun lalu.

Lubang hitamnya sekitar 17 miliar kali massa Matahari dan masih tumbuh. Piringan yang memberinya makan selebar sekitar 7 tahun cahaya, yang terbesar diketahui, dan bersinar seperti lebih dari 500 triliun Matahari (Wolf dkk. 2024).

Piringan digambar sesuai ukuran terukurnya. Bayangan lubang hitam di tengahnya terlalu kecil untuk terlihat pada skala ini.

Zaman kuasar

Kuasar paling banyak sekitar 10 miliar tahun lalu, ketika galaksi masih muda dan penuh gas. Sebagian besar sudah kehabisan makanan, dan yang terang kini langka.

Karena cahaya butuh waktu untuk sampai, kuasar terjauh juga yang tertua. Menghitungnya di tiap jarak menunjukkan bahwa kuasar terang sekitar seratus kali lebih umum 10 hingga 11 miliar tahun lalu dibanding sekarang.

Galaksi saat itu kaya gas dan sering bertabrakan, yang mendorong gas ke pusatnya. Ketika gas habis menjadi bintang atau tertiup pergi, kebanyakan lubang hitam menjadi tenang. Banyak galaksi raksasa masa kini menyimpan lubang hitam tidur bekas kuasar.

Grafik memberi bentuk kasar yang ditemukan survei. Memudarnya kuasar di sini digambar.

Lubang hitam kita sendiri

Lubang hitam Bima Sakti, Sagitarius A*, bermassa 4,3 juta Matahari dan nyaris tak makan. Namun dua gelembung sinar gama raksasa di atas dan di bawah galaksi menandakan ia pernah menyala beberapa juta tahun lalu.

Sagitarius A* sekitar enam puluh kali lebih ringan daripada lubang hitam 3C 273 dan hampir kelaparan: ia hanya bersinar seperti beberapa ratus Matahari, kebanyakan dalam gelombang radio dan sinar-X.

Pada 2010 teleskop antariksa Fermi menemukan dua cuping sinar gama raksasa, masing-masing mencapai sekitar 25.000 tahun cahaya di atas dan di bawah pusat galaksi. Ukuran dan bentuknya menandakan ledakan dari pusat beberapa juta tahun lalu, mungkin saat Sagitarius A* terakhir kali makan besar.

Gelembung itu tak terlihat mata; di sini digambar ungu. Bima Sakti digambar dari model sederhana.

Mercusuar yang tak pernah bergerak

Kuasar begitu jauh sehingga tak pernah tampak bergerak. Astronom memakai ribuan kuasar sebagai titik tetap acuan untuk mengukur setiap posisi di langit.

Bintang bergeser di langit selama bertahun-tahun saat bergerak di dalam galaksi. Kuasar, miliaran tahun cahaya jauhnya, tetap diam, sehingga menjadi penanda terbaik yang ada.

Kerangka Acuan Langit Internasional, yang dipakai untuk mengarahkan wahana antariksa dan melacak putaran Bumi, dibangun dari posisi 4.536 sumber radio jauh, sebagian besar kuasar, yang diukur teleskop radio di seluruh dunia (ICRF3, 2018). Wahana Gaia menambatkan petanya yang berisi hampir dua miliar bintang pada sekitar 1,6 juta kuasar.