Semuanya berawal dari tugas kuliah: Sebuah kelas astronomi di University of Texas yang dijalankan bersama oleh kampus Austin dan San Antonio berhasil membawa para mahasiswanya pada sebuah penemuan yang kemudian dipublikasikan dalam jurnal ilmiah.
Selama ini, para peneliti meyakini bahwa Segue 1—sebuah galaksi kerdil yang mengorbit Bima Sakti hanya sejauh 75.000 tahun cahaya—dipenuhi oleh materi gelap, suatu zat di ruang angkasa yang tidak memancarkan cahaya atau berinteraksi dengannya. Beberapa ilmuwan bahkan menyarankannya sebagai lokasi kunci di alam semesta lokal untuk mempelajari material misterius ini.
Namun, sebuah studi baru mengindikasikan bahwa galaksi katai yang redup ini mendapatkan sebagian besar massanya dari lubang hitam supermasif yang sebelumnya tak diketahui, yang juga tak terlihat, bukan dari materi gelap. Lubang hitam ini diperkirakan memiliki massa setara dengan lebih dari 450.000 matahari. Nathaniel Lujan, seorang mahasiswa pascasarjana di San Antonio, menggunakan teknik pemodelan komputer canggih yang dipelajarinya dalam mata kuliah Dinamika Galaksi dan Gravitasi untuk membantu menemukan raksasa kosmik yang bersembunyi di balik bayang-bayang Segue 1.
Temuan ini membuka kemungkinan bahwa lubang hitam raksasa lebih umum dari yang diperkirakan sebelumnya—bahkan hadir di galaksi-galaksi terkecil—dan pemahaman astronom tentang apa yang menyatukan galaksi katai mungkin tidak lagi seperti yang selama ini diyakini.
“Sungguh menakjubkan,” kata Lujan dalam sebuah presentasi di pertemuan American Astronomical Society di Anchorage, Alaska, “karena Segue 1 adalah galaksi yang hampir tidak bisa kita lihat, namun saya mengusulkan bahwa ia menyimpan sebuah lubang hitam supermasif setara setengah juta massa matahari di pusatnya.”
Segue 1, yang pertama kali terdeteksi pada tahun 2006 menggunakan teleskop Sloan Digital Sky Survey di New Mexico, memiliki terlalu sedikit bintang untuk memiliki gravitasi yang diperlukan agar tetap utuh di ruang angkasa. Sebelumnya, ilmuwan berspekulasi bahwa sebuah halo materi gelap—pada dasarnya sebuah bola material tak kasat mata yang menyelubungi galaksi—pasti yang mencegahnya tercerai-berai.
Para mahasiswa mulai mengeksplorasi Segue 1 sebagai bagian dari tugas, ujar Karl Gebhardt, seorang profesor astronomi di UT Austin yang mengajar kelas tersebut bersama asisten profesor Richard Anantua dari UT San Antonio. Ia ingin menunjukkan kepada mereka cara menjalankan simulasi komputer untuk menyimpulkan apa yang tidak dapat dilihat.
Karena Segue 1 dikenal memiliki banyak materi gelap, kelas tersebut menggunakannya untuk latihan. Para profesor membagi mahasiswa menjadi tiga kelompok: satu berfokus pada materi gelap, kelompok lain memasukkan lubang hitam hipotetis, dan kelompok ketiga mengamati jumlah bintang. Tujuannya adalah menemukan skenario mana yang paling sesuai dengan perilaku aktual bintang-bintang dalam sistem tersebut.
Pertama-tama, mereka harus mengeliminasi dari dataset mereka bintang-bintang di pinggiran galaksi yang tertarik oleh gravitasi Bima Sakti. Tujuannya adalah mengisolasi bintang-bintang yang lebih jelas berada di bawah pengaruh gravitasi Segue 1. Kemudian, para mahasiswa mempelajari kecepatan dan arah gerak bintang-bintang yang tersisa.
Mereka menemukan bahwa bintang-bintang di dekat pusat bergerak dalam orbit yang cepat dan rapat, sebuah petunjuk bahwa mereka sedang mengitari sebuah lubang hitam. Model yang memasukkan lubang hitam terbukti jauh lebih cocok dengan gerakan bintang aktual di Segue 1.
“Saya tidak mengharapkan itu,” kata Gebhardt kepada Mashable. “Saya bilang, ‘Oke, kita harus menuliskan ini.'”
Hasilnya baru-baru ini diterbitkan di The Astrophysical Journal Letters, dengan beberapa mahasiswa dari kelas semester musim semi 2024 tercatat sebagai rekan penulis.
Lubang hitam adalah wilayah misterius di angkasa dimana gravitasi begitu kuat sehingga tidak ada—bahkan cahaya sekalipun—yang dapat lolos. Baru beberapa dekade lalu, keberadaan mereka masih diragukan, namun pada 2019, Teleskop Event Horizon berhasil mengambil gambar pertama lubang hitam di galaksi Messier 87, sekitar 53 juta tahun cahaya jauhnya. Alih-alih memiliki permukaan, lubang hitam memiliki sesuatu yang disebut “cakrawala peristiwa“—sebuah titik di mana apa pun yang melintasinya akan hilang untuk selamanya. Ilmuwan hanya dapat memotret lubang hitam dengan menangkap gas bercahaya yang berputar-putar di sekitarnya dan bayangan yang diciptakan gravitasinya pada cahaya tersebut.
Kejutan tambahan bagi kelas tersebut adalah betapa masifnya lubang hitam pusat itu ternyata. Model mereka mengungkapkan bahwa massanya bisa sekitar 10 kali lebih besar dari seluruh bintang di galaksi katai tersebut. Dalam kebanyakan kasus, bintang-bintang di sebuah galaksi lebih berat daripada lubang hitamnya.
“Ini mungkin karena Segue 1 sebenarnya semacam membohongi kita,” ujar Lujan. “Ia mungkin bermula sebagai galaksi yang jauh lebih besar, dan karena interaksi dekatnya dengan Bima Sakti, Bima Sakti telah menyedot gasnya dan menghambat pembentukan bintang di galaksi tersebut.”
Untuk tesis doktoralnya, Lujan berencana menggunakan komputer canggih dan kecerdasan buatan untuk menjalankan lebih banyak simulasi pada galaksi-galaksi katai lain yang sebelumnya diyakini didominasi oleh materi gelap.
Penjelasan lain yang mungkin untuk Segue 1 adalah bahwa ia mungkin mirip dengan jenis galaksi baru yang ditemukan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA. Ilmuwan menyebut objek-objek yang ditemukan di alam semesta awal ini sebagai “titik-titik merah kecil.” Mereka tampaknya berkembang dengan lubang hitam yang sangat besar dan sedikit bintang. Sebuah tim penelitian mengusulkan bahwa mereka mungkin adalah bola-bola gas raksasa yang membungkus lubang hitam, menjulukinya “bintang lubang hitam.”
Studi ini merupakan pengingat penting bahwa hal-hal baru dapat dipelajari hanya dengan melihat data lama dengan cara yang berbeda, kata Gebhardt.
“Yang membuat saya sangat bersemangat adalah galaksi-galaksi seperti Segue 1 yang kita temukan ini mungkin merupakan analog dari alam semesta awal, di mana lubang-hitamnya benar-benar masif,” katanya. “Jadi, terlepas dari apakah kita sudah berpikir cukup keras tentang bagaimana membangun hal-hal ini, alam telah menemukan caranya.”