Ilustrasi lubang hitam di gugus bola.
Penelitian baru telah menciptakan model tentang bagaimana bintang bermassa 1.000 hingga 10.000 kali massa Matahari menghasilkan nitrogen dalam jumlah besar, termasuk kematiannya dan runtuh menjadi lubang hitam besar.
Selama dua dekade, para astronom bertanya-tanya bagaimana caranya lubang hitam supermasifyang merupakan salah satu objek paling terang di alam semesta, mungkin ada kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang. Bintang normal tidak bisa menciptakan lubang hitam sebesar itu dengan cukup cepat.
Kini, dengan menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, tim astronom internasional telah menemukan bukti meyakinkan pertama yang memecahkan misteri kosmik ini: pada awal mula alam semesta, ada “bintang monster” dengan massa 1.000 hingga 10.000 kali lebih besar daripada Matahari kita. Penemuan ini dilakukan melalui analisis tanda kimia di galaksi bernama GS 3073.
Sebuah studi yang dilakukan oleh Universitas Portsmouth, di Inggris, dan Pusat Astrofisika | Harvard & Smithsonian, di AS, menemukan a ketidakseimbangan ekstrim antara nitrogen dan oksigen yang tidak dapat dijelaskan oleh jenis bintang apa pun yang diketahui.
Pada tahun 2022, para peneliti menerbitkan karya di jurnal Nature yang memprediksi bintang-bintang supermasif terbentuk secara alami dalam aliran yang jarang dan bergejolak gas dingin di alam semesta awal, menjelaskan bagaimana quasar (lubang hitam yang sangat terang) bisa ada kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang.
“Penemuan terbaru kami membantu Pecahkan misteri kosmik berusia 20 tahun“, kata Dr Daniel Whalen dari Institut Kosmologi dan Gravitasi di Universitas Portsmouth. “Dengan GS 3073, kami memiliki bukti pengamatan pertama bahwa bintang monster ini ada.
“Raksasa kosmik ini akan bersinar terang dalam waktu singkat sebelum runtuh menjadi lubang hitam besar, meninggalkan jejak kimia yang dapat kita deteksi miliaran tahun kemudian. Mirip seperti dinosaurus di Bumi – mereka berukuran besar dan primitif. Dan mereka berumur pendek, hanya seperempat juta tahun – hanya sekejap mata.”
Kunci penemuan ini adalah mengukur hubungan antara nitrogen dan oksigen di GS 3073. Galaksi ini mengandung rasio nitrogen terhadap oksigen sebesar 0,46 – jauh lebih tinggi daripada yang dapat dijelaskan oleh jenis bintang atau ledakan bintang apa pun yang diketahui.
Devesh Nandal, dari Institut Teori dan Komputasi di Pusat Astrofisika | Harvard & Smithsonian, menjelaskan: “Kelimpahan bahan kimia bertindak seperti sidik jari kosmik, dan pola di GS3073 tidak seperti yang lainnya apa yang dapat dihasilkan oleh bintang normal. Nitrogen ekstrimnya hanya cocok dengan satu jenis sumber yang kita ketahui – bintang purba yang ribuan kali lebih besar dari Matahari kita. Hal ini memberi tahu kita bahwa bintang-bintang generasi pertama mencakup objek-objek supermasif yang membantu membentuk galaksi-galaksi pertama dan mungkin telah memunculkan lubang hitam supermasif saat ini.”
Para peneliti memodelkan bagaimana bintang dengan massa 1.000 hingga 10.000 massa matahari akan berevolusi dan elemen apa yang akan mereka hasilkan. Mereka menemukan mekanisme spesifik yang menghasilkan nitrogen dalam jumlah besar:
- Bintang-bintang besar ini membakar helium di intinya, menghasilkan karbon;
- Karbon bocor ke dalam cangkang di sekelilingnya tempat hidrogen dibakar;
- Karbon bergabung dengan hidrogen untuk menghasilkan nitrogen melalui siklus karbon-nitrogen-oksigen;
- Arus konveksi mendistribusikan nitrogen ke seluruh bintang;
- Akhirnya, bahan ini kaya akan nitrogen diluncurkan ke luar angkasamemperkaya gas di sekitarnya.
Proses ini berlanjut selama jutaan tahun selama fase pembakaran helium bintang, sehingga menghasilkan kelebihan nitrogen seperti yang terlihat pada GS 3073.
Modelnya, diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters, prediksi juga apa yang terjadi jika bintang monster ini mati. Mereka tidak meledak – sebaliknya, runtuh langsung ke dalam lubang hitam yang sangat besar dengan ribuan massa matahari.
Menariknya, GS 3073 memiliki lubang hitam yang aktif mencari makan di pusatnya – kemungkinan merupakan sisa dari salah satu bintang supermasif pertama ini. Jika dikonfirmasi, hal ini akan memecahkan dua misteri sekaligus – dari mana asal nitrogen dan bagaimana lubang hitam terbentuk.
Studi tersebut juga menemukan bahwa tanda nitrogen ini hanya muncul dalam rentang massa tertentu. Bintang dengan massa matahari kurang dari 1000 atau lebih dari 10.000 massa matahari tidak menghasilkan standar kimia yang benar untuk berlangganan, yang menunjukkan adanya “titik ideal” untuk jenis pengayaan ini.
Penemuan ini membuka jendela baru ke dalam beberapa ratus juta tahun pertama alam semesta – sebuah periode kosmik yang oleh para astronom disebut “Abad Kegelapan“, ketika bintang-bintang pertama menyala dan mulai mengubah kimia sederhana alam semesta awal menjadi beragam unsur yang kita lihat sekarang.
Para peneliti memperkirakan bahwa Webb akan menemukan lebih banyak galaksi dengan kelebihan nitrogen yang serupa seiring dengan terus mensurvei alam semesta awal. Setiap penemuan baru akan memperkuat hipotesis tentang bintang ultramasif pertama ini.
