Gelombang gravitasi latar yang terdeteksi NANOGrav ternyata lebih besar dari perkiraan. Dan itu tampak pada lonjakan yang terjadi saat sepasang lubang hitam bergabung.
Jadi, hasil terbaru dari NANOGrav memperlihatkan lonjakan pertumbuhan saat lubang hitam supermasif pada dua galaksi lebih kecil bergabung. Lonjakan ini rupanya memperkuat gelombang gravitasi latar di seluruh alam semesta.
Bayangkan seluruh alam semesta seperti kolam renang raksasa yang tidak pernah benar-benar tenang. Di mana mana ada riak halus pada ruang dan waktu, gelombang gravitasi yang terus melintas dan secara teknis menggetarkan segala sesuatu, termasuk Bumi. Riak halus inilah yang dikenal sebagai gelombang gravitasi latar, sebuah dengungan kosmik yang tersusun dari jutaan peristiwa di seluruh alam semesta.
Pada tahun 2023, kolaborasi internasional yang dipimpin eksperimen NANOGrav mengumumkan deteksi pertama gelombang gravitasi latar pada frekuensi nanohertz. Mereka menggunakan jaringan pulsar, bintang neutron berputar cepat yang berfungsi sebagai jam kosmik sangat stabil. Perubahan sangat kecil pada waktu kedatangan pulsa menjadi penanda adanya riak pada ruang waktu yang melintas di antara Bumi dan pulsar. Hasilnya mengonfirmasi bahwa alam semesta memang dipenuhi latar gelombang gravitasi.
Namun ada satu masalah besar. Gelombang gravitasi latar yang terukur jauh lebih besar dibandingkan prediksi teori. Model yang didasarkan pada populasi lubang hitam supermasif di pusat galaksi yang saling mengorbit dan bertumbukan tidak mampu menjelaskan seberapa kuat sinyal yang dilihat NANOGrav. Kosmologi tiba tiba berhadapan dengan teka teki baru, apakah ada sumber gelombang gravitasi lain, atau ada sesuatu yang terlewat dalam cara kita memodelkan lubang hitam supermasif.
Tim peneliti dari University of Colorado Boulder kini mengusulkan jawaban yang tampak sederhana, tetapi berdampak besar. Kuncinya ada pada cara lubang hitam supermasif tumbuh ketika dua galaksi bergabung. Selama ini, banyak studi mengabaikan kontribusi lubang hitam yang lebih kecil, dengan asumsi dampaknya terhadap latar gelombang gravitasi tidak terlalu berarti. Fokus lebih banyak tertuju pada lubang hitam supermasif raksasa dengan massa miliaran kali massa Matahari.
Dalam kenyataannya, merger galaksi bukanlah proses rapi dan simetris. Ketika dua galaksi bertabrakan dan bergabung, gas di dalamnya mengalir menuju pusat, membentuk struktur seperti donat di sekitar pasangan lubang hitam supermasif yang sedang saling mengorbit. Gas ini menjadi bahan bakar, perlahan jatuh dan menambah massa lubang hitam. Simulasi sebelumnya telah mengisyaratkan bahwa laju pertumbuhan kedua lubang hitam dalam pasangan ini tidak selalu sama.
Lubang hitam yang lebih masif cenderung berada di bagian dalam donat gas, wilayah yang justru lebih miskin gas. Sebaliknya, lubang hitam yang lebih kecil berada sedikit lebih jauh dari pusat, di pinggiran donat, wilayah di mana gas lebih melimpah. Posisi ini memberi akses bahan bakar lebih banyak. Akibatnya, lubang hitam yang awalnya lebih kecil justru mendapatkan “bonus” pertumbuhan. Fenomena ini dikenal sebagai akresi preferensial, ketika lubang hitam kecil tumbuh lebih pesat daripada pasangan yang lebih besar.
Dalam penelitian ini, para astronom memasukkan efek akresi preferensial secara lebih rinci ke dalam model evolusi merger galaksi. Mereka menyusun seperangkat persamaan untuk menggambarkan bagaimana dua galaksi dan lubang hitam di pusatnya berinteraksi, lalu memodifikasi parameter sehingga lubang hitam yang lebih kecil tumbuh sekitar 10 persen lebih banyak dibanding lubang hitam besar dalam setiap pasangan.
Perubahan yang tampak kecil ini menghasilkan konsekuensi penting. Dengan lubang hitam “kecil” yang menjadi lebih gemuk sebelum akhirnya bertumbukan, energi yang dipancarkan dalam bentuk gelombang gravitasi juga meningkat. Seperti orang yang melompat ke kolam, semakin besar massa, semakin besar gelombang yang dihasilkan. Ketika efek ini diterapkan pada populasi jutaan pasangan lubang hitam supermasif di seluruh alam semesta, kontribusi total terhadap latar gelombang gravitasi menjadi jauh lebih besar.
Hasil akhirnya, gelombang gravitasi latar yang dihitung dari model baru ini menjadi sesuai dengan pengamatan NANOGrav. Perbedaan antara teori dan data menyempit, tanpa perlu memanggil sumber gelombang gravitasi eksotik di luar merger lubang hitam supermasif. Lubang hitam yang selama ini dianggap terlalu kecil untuk berpengaruh ternyata justru berperan kunci setelah diperhitungkan pertumbuhan ekstra akibat akresi gas.
Meski demikian, studi ini belum menutup buku. Model yang berhasil menyamai gelombang gravitasi latar masih bergantung pada asumsi bahwa akresi preferensial benar-benar terjadi seperti di simulasi. Untuk menguji hal ini, tim peneliti memulai kampanye pengamatan galaksi yang sedang dalam proses merger, mencari pasangan lubang hitam supermasif aktif dan menelusuri jejak gas di sekitarnya. Tujuannya, melihat langsung apakah lubang hitam yang lebih kecil memang mendapatkan jatah gas lebih besar dan tumbuh lebih cepat.
Di balik semua ini, ada pertanyaan yang lebih mendasar. Latar gelombang gravitasi bukan hanya sekadar dengungan acak, melainkan rekaman kolektif sejarah pembentukan struktur di alam semesta. Setiap pasangan lubang hitam supermasif yang saling mengorbit dan akhirnya menyatu membawa cerita tentang bagaimana galaksi kecil bersatu, membentuk galaksi lebih besar, dan akhirnya melahirkan sistem kompleks seperti Bima Sakti. Ketika gelombang gravitasi latar diukur dan dipahami, yang sebenarnya sedang dibaca adalah jejak terintegrasi evolusi galaksi selama lebih dari 10 miliar tahun.
Studi ini juga menyinggung satu misteri lama lain, bagaimana lubang hitam supermasif pertama terbentuk di alam semesta muda. Galaksi primordial pada awalnya kecil dan kaya gas. Jika lubang hitam kecil di dalamnya berkali kali mengalami merger dan akresi preferensial, proses ini dapat membantu menjelaskan bagaimana lubang hitam dengan massa ratusan juta hingga miliaran Matahari bisa muncul dalam waktu kosmik yang relatif singkat.
Dalam konteks itu, kontribusi lubang hitam kecil pada latar gelombang gravitasi menjadi lebih dari sekadar koreksi angka. Ia adalah petunjuk bahwa detail kecil dalam cara galaksi bergabung dan mengalirkan gas ke pusat dapat mengubah pemahaman kita tentang sejarah besar alam semesta. Latar gelombang gravitasi yang baru saja mulai terdengar ini mungkin akan menjadi salah satu alat paling kuat untuk membongkar bab awal hingga bab besar terbaru dalam kisah evolusi kosmik.
