Tanyakan Ethan No. 15: Lubang Hitam Terbesar di Semesta
Ketika kita turun ke jurang, kita belajar harta kehidupan. Di mana Anda tersandung di sana Anda akan menemukan permata Anda.
- Joseph Campbell
Pembaca bertanya:Mengamati quasar yang jauh, kita melihat lubang hitam supermasifnya seberat 10 9 solar. Bagaimana mereka bisa mencapai ukuran ini dalam waktu yang singkat?
Masalah ini lebih rumit daripada yang terlihat pada pandangan pertama. Anda harus mulai dengan astrofisika.
Anda mungkin sudah tahu bahwa bintang memiliki ukuran dan warna yang berbeda, dengan umur dan massa yang berbeda, dan bahwa semua sifat ini saling berkaitan. Semakin besar bintang, semakin besar intinya, di mana, sesuai dengan prinsip-prinsip fusi nuklir, bahan bakarnya terbakar. Ini berarti bahwa bintang yang lebih masif terbakar lebih terang, pada suhu yang lebih tinggi, mereka memiliki jari-jari lebih besar dan mereka juga terbakar lebih cepat.
Jika sebuah bintang, seperti Matahari kita, dapat memakan waktu lebih dari sepuluh miliar tahun untuk membakar semua bahan bakarnya di inti, maka bintang-bintang itu bisa puluhan atau bahkan ratusan kali lebih besar daripada Matahari kita, dan alih-alih miliaran tahun, mereka dapat mensintesis semua hidrogen dalam inti menjadi helium di beberapa juta, dan dalam beberapa kasus, bahkan lebih dari beberapa ratus ribu tahun.
Apa yang terjadi pada inti saat membakar bahan bakarnya? Perlu dicatat bahwa energi yang dilepaskan selama reaksi ini adalah satu-satunya hal yang menahan inti melawan gaya gravitasi yang sangat besar, yang secara konstan bekerja untuk mengompres semua materi di bintang ke volume sekecil mungkin. Ketika reaksi fusi ini berhenti, inti menyusut dengan cepat. Kecepatan kompresi penting karena jika Anda mengompresi materi dengan lambat, suhu akan tetap konstan, tetapi akan meningkatkan entropi; dan jika Anda mengompres dengan cepat, maka entropi akan konstan, dan suhu akan meningkat.
Dalam kasus bintang masif, peningkatan suhu berarti bahwa bintang dapat mulai mensintesis elemen yang semakin berat, mulai dari helium, melewati karbon, nitrogen, oksigen, neon, magnesium, silikon, sulfur, dan akhirnya mendekati besi, nikel dan kobalt. Perhatikan bahwa unsur-unsur ini terbentuk dengan peningkatan jumlah nuklir sebesar 2, karena fakta bahwa helium bergabung dengan unsur-unsur yang ada. Dan ketika Anda mendapatkan zat besi, nikel dan kobalt, elemen yang paling stabil, maka sintesis lebih lanjut menjadi tidak mungkin, dan nukleus meledak ke luar, berubah menjadi supernova tipe 2.Jika ini tidak terjadi pada bintang yang sangat masif, Anda akan mendapatkan inti bintang neutron. Dan jika Anda mengambil bintang yang lebih besar, dengan inti yang lebih berat, maka ia tidak akan tahan terhadap gravitasi dan menciptakan lubang hitam di dalamnya. Bintang 15-20 kali ukuran Matahari kemungkinan akan menciptakan lubang hitam di tengah setelah kematiannya. Dan bintang yang lebih masif akan menciptakan lubang hitam yang lebih masif. Orang dapat membayangkan sejumlah besar bintang yang cukup besar, dari mana lubang hitam lahir yang berada di ruang terbatas. Dan kemudian lubang hitam ini bergabung dengan waktu, atau kedua lubang hitam itu bergabung, dan mereka memakan materi bintang dan antarbintang, yang, menurut pengamatan kami, juga terjadi.
Sayangnya, ini tidak terjadi secepat untuk bertepatan dengan pengamatan kami. Anda tahu, jika sebuah bintang menjadi terlalu besar, sebuah lubang hitam tidak akan muncul di dalamnya! Jika kita mengamati bintang-bintang dengan massa 130 matahari, maka interior bintang-bintang menjadi sangat panas dan mereka mengandung begitu banyak energi sehingga partikel berenergi tinggi yang muncul di sana dapat membentuk pasangan antimateri materi dalam bentuk positron dan elektron. Pada pandangan pertama, ini bukan masalah besar, tapi ingat apa yang terjadi di inti bintang-bintang ini: semua yang membuat mereka tidak runtuh adalah tekanan yang diberikan dari dalam oleh studi fusi nuklir. Dan ketika pasangan elektron dan positron mulai muncul, mereka dikeluarkan dari radiasi ini, yang mengarah pada penurunan tekanan pada nukleus dari dalam.Hal-hal seperti itu sudah dimulai dengan bintang-bintang yang beratnya dari 100 matahari, tetapi jika Anda mencapai massa 130 matahari, tekanannya berkurang sehingga bintang-bintang mulai runtuh - dan sangat cepat!
Inti memanas, dan mengandung sejumlah besar positron, yang dimusnahkan dengan materi biasa dan menghasilkan radiasi gamma, yang selanjutnya menghangatkan inti. Pada akhirnya, Anda mendapatkan sesuatu yang begitu energik sehingga merobek seluruh bintang hingga tercabik-cabik dengan cara yang sangat cerah dan indah. Jadi ternyata supernova dari pasangan tidak stabil. Ini tidak hanya menghancurkan lapisan luar bintang, tetapi juga inti itu sendiri, dan setelah ledakan ini sama sekali tidak ada yang tersisa!Bahkan tanpa memperhitungkan lubang hitam cukup besar yang dengan cepat terbentuk di Semesta kita, kita masih bisa mendapatkan lubang hitam supermasif - seperti yang ada di pusat galaksi kita. Menurut orbit bintang yang mengorbit di sekitarnya, massanya adalah beberapa juta massa matahari.
Tetapi dengan cara ini tidak mungkin untuk mendapatkan lubang hitam seberat milyaran massa matahari, seperti yang terletak di galaksi yang jauh dari Messier 87.
Apa yang pembaca tanyakan adalah lubang hitam supermasif dengan berat sekitar beberapa miliar massa matahari. Dan mereka muncul dengan pergeseran merah besar, yang menunjukkan bahwa mereka telah lama sangat besar.Anda mungkin berpikir bahwa sejak awal sudah ada lubang hitam yang begitu besar di Semesta, tetapi ini tidak sesuai dengan apa yang kita ketahui tentang alam semesta muda dari kekuatan spektral materi dan dari latar belakang radiasi kosmik. Dimanapun lubang hitam supermasif ini berasal, tidak mungkin bahwa mereka ada di sini sejak awal - tetapi sekarang mereka dapat ditemukan bahkan di galaksi yang sangat muda!
Jadi, jika bintang biasa tidak dapat menghasilkan lubang hitam seperti itu, dan Semesta tidak dilahirkan bersama mereka, lalu dari mana mereka berasal?Ternyata bintang-bintang bisa lebih masif daripada yang telah kita bicarakan. Dan ketika mereka mencapai massa besar, harapan baru muncul. Mari kita kembali ke bintang-bintang pertama yang terbentuk di Semesta dari hidrogen dan helium prasejarah - gas-gas yang ada saat itu, hanya beberapa juta tahun setelah Big Bang.
Ada banyak bukti yang menunjukkan bahwa pada saat itu bintang terbentuk di daerah besar - tidak seperti gugusan bintang saat ini di galaksi kita yang mengandung beberapa ratus atau ribuan bintang. Kemudian kelompok besar berisi jutaan atau bahkan lebih banyak bintang. Jika kita melihat wilayah terdekat dan terbesar pembentukan bintang di Nebula Tarantula, yang terletak di Awan Magellan Besar, kita dapat memahami apa yang terjadi.
Wilayah ruang ini memiliki 1000 tahun cahaya. Di tengahnya ada area besar di mana bintang-bintang baru terbentuk - R136. Ini berisi bintang-bintang baru, yang total massanya sekitar 450.000 massa matahari. Kompleks ini aktif, bintang masif baru terbentuk di sana. Dan di pusat wilayah tengah, Anda dapat menemukan sesuatu yang benar-benar unik: bintang paling masif dari semua bintang yang dikenal di alam semesta!
Bintang terbesar di daerah ini adalah 265 kali lebih berat dari matahari, dan ini adalah fenomena yang sangat luar biasa. Ingat bahwa saya berbicara tentang supernova pasangan tidak stabil, dan bagaimana mereka menghancurkan bintang-bintang yang lebih berat dari 130 massa matahari dan tidak meninggalkan lubang hitam. Formula ini bekerja hingga saat tertentu - hanya untuk bintang yang massanya lebih dari 130 matahari, tetapi kurang dari 250 matahari. Dan jika massa semakin meningkat, kita akan menerima radiasi gamma dengan kekuatan sedemikian rupa sehingga reaksi fotonuklear akan terjadi - ketika sinar gamma mendinginkan bagian dalam bintang, merobohkan inti yang berat dan mengubahnya menjadi cahaya.
Jika sebuah bintang memiliki massa lebih dari 250 massa matahari, itu akan benar-benar runtuh menjadi lubang hitam. Sebuah bintang dengan massa 260 massa matahari dapat membuat lubang hitam dengan massa 260 matahari. Bintang 1000 massa matahari akan membuat lubang hitam dengan massa 1000 massa matahari. Dan karena kita dapat membuat bintang dengan massa besar di sudut kosmos kita yang terisolasi, kita dapat membuat objek-objek ini pada saat Semesta masih muda. Dan kami kemungkinan besar membuat sejumlah besar objek ini - namun mereka masih akan digabungkan.Dan jika mungkin untuk menciptakan suatu daerah di mana lubang hitam besar beberapa ribu massa matahari terbentuk hanya beberapa juta atau puluhan juta tahun setelah Big Bang, maka penyatuan dan pertambahan yang cepat dari daerah-daerah di mana bintang terbentuk, menunjukkan bahwa ini awal lubang hitam besar akan secara unik bersatu satu sama lain. Setelah waktu yang singkat, mereka akan membentuk lubang hitam yang lebih besar dan lebih besar di pusat-pusat daerah ini, yang kemudian berubah menjadi galaksi raksasa pertama di Semesta.
Pertumbuhan ini, terus dalam waktu, dapat dengan mudah membawa kita ke perkiraan sederhana lubang hitam seberat beberapa ratus juta matahari, yang dapat dihasilkan oleh galaksi seukuran Bima Sakti. Sangat mudah untuk membayangkan bahwa galaksi yang lebih besar dan efek nonlinier dapat meningkatkan kemungkinan massa black hole hingga miliaran massa matahari tanpa masalah. Dan meskipun kita tidak tahu pasti, tetapi sejauh yang bisa kita menilai dari pengetahuan yang kita miliki, itulah bagaimana lubang hitam supermasif muncul.Source: https://habr.com/ru/post/id381865/
All Articles