November 27, 2022

Sekitar 450 juta tahun cahaya dari Bumi di konstelasi Hercules terletak sebuah galaksi bernama Markarian 501. Dalam gambar cahaya tampak yang kita miliki, Markarian 501 tampak seperti gumpalan sederhana yang tidak menarik.

Tapi penampilan bisa menipu, terutama di luar angkasa. Markarian 501 adalah landasan peluncuran untuk partikel bermuatan yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dari jantung galaksi meletus semburan partikel dan radiasi berenergi tinggi, mengalir tepat ke arah Bumi. Itu menjadikannya laboratorium alami yang sempurna untuk mempelajari partikel-partikel yang berakselerasi itu — andai saja para ilmuwan dapat memahami apa penyebabnya.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di jurnal Alam hari ini, para astronom telah dapat melihat jauh ke dalam jantung salah satu jet itu dan melihat apa yang mendorong partikel-partikel itu keluar. “Ini adalah pertama kalinya kami dapat langsung menguji model percepatan partikel,” kata Yannis Liodakis, seorang astronom di University of Turku di Finlandia dan penulis utama makalah tersebut.

Markarian 501 adalah contoh nyata dari kelas khusus galaksi yang disebut blazar. Yang membuat galaksi ini begitu terang adalah lubang hitam supermasif di pusatnya. Wilayah padat gravitasi memuntahkan mata air kolosal partikel berenergi tinggi, membentuk jet yang bergerak sangat dekat dengan kecepatan cahaya dan membentang lebih dari ratusan juta tahun cahaya.

Banyak galaksi memiliki lubang hitam supermasif yang memuntahkan pancaran seperti ini—para astronom menyebutnya inti galaksi aktif. Tapi blazar seperti Markarian 501 ditentukan oleh fakta bahwa jet mereka diarahkan tepat ke arah umum Bumi. Para astronom dapat menggunakan teleskop yang terlatih untuk melihat ke atas dan mendapatkan pandangan yang jelas tentang semburan konstan partikel yang melewati gelombang dari setiap bagian spektrum elektromagnetik, dari gelombang radio yang terang hingga cahaya tampak hingga sinar gamma yang menyala-nyala.

See also  Satu mitos besar: ras anjing memiliki ciri kepribadian

[Related: You’ve probably never heard of terahertz waves, but they could change your life]

Sebuah blazar dapat menyebarkan pengaruhnya jauh melampaui sudut alam semestanya sendiri. Misalnya, sebuah detektor yang terkubur di bawah es Antartika menangkap neutrino—partikel hantu bermassa rendah yang berusaha sebaik mungkin untuk menghindari fisikawan—berasal dari blazar bernama TXS 0506+56. Ini adalah pertama kalinya para peneliti mengambil neutrino yang hinggap di Bumi dari titik asal di luar tata surya (dan dari jarak 5 miliar tahun cahaya, pada saat itu).

Tapi apa sebenarnya yang menyebabkan lubang hitam supermasif membentuk cahaya dan gelombang elektromagnetik lainnya? Apa yang terjadi di dalam jet itu? Jika Anda sedang berselancar di dalamnya, apa sebenarnya yang akan Anda rasakan dan lihat?

Para ilmuwan juga ingin mengetahui jawaban-jawaban ini, dan bukan hanya karena mereka membuat eksperimen pemikiran yang menyenangkan dan ekstrem. Blazar adalah akselerator partikel alami, dan jauh lebih besar dan lebih kuat daripada akselerator apa pun yang saat ini dapat kita harapkan untuk dibangun di Bumi. Dengan menganalisis dinamika jet blazar, mereka dapat mempelajari proses alami apa yang dapat mempercepat materi hingga mendekati kecepatan cahaya. Terlebih lagi, Markarian 501 adalah salah satu blazar yang lebih diinginkan untuk dipelajari, mengingat jaraknya yang relatif dekat dengan Bumi, setidaknya dibandingkan dengan blazar lain yang jaraknya bisa miliaran tahun cahaya lebih jauh lagi.

[Related: What would happen if you fell into a black hole?]

Jadi, Liodakis dan puluhan rekannya dari seluruh dunia mulai mengamatinya. Mereka menggunakan Imaging X-ray Polarization Explorer (IXPE), teleskop mirip ubur-ubur yang diluncurkan NASA pada Desember 2021, untuk melihat ke bawah panjang jet tersebut. Secara khusus, IXPE mempelajari apakah sinar-X jauh terpolarisasi, dan bagaimana gelombang elektromagnetiknya berorientasi di ruang angkasa. Gelombang dari bola lampu, misalnya, tidak terpolarisasi—mereka bergoyang ke segala arah. Gelombang dari layar LCD, di sisi lain, terpolarisasi dan hanya bergoyang ke satu arah, itulah sebabnya Anda dapat melakukan trik seperti membuat layar Anda tidak terlihat oleh orang lain.

See also  Kehidupan di Bumi mungkin terbentuk dari udara dan air yang tipis

Kembali ke langit, jika para astronom mengetahui polarisasi suatu sumber seperti lubang hitam, mereka mungkin dapat merekonstruksi apa yang terjadi di sana. Liodakis dan rekan-rekannya memiliki gambaran tentang apa yang diharapkan, karena para ahli di bidangnya sebelumnya telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk membuat model dan mensimulasikan jet di komputer mereka. “Ini adalah pertama kalinya kami dapat langsung menguji prediksi dari model tersebut,” jelasnya.

Mereka menemukan bahwa penyebabnya adalah gelombang kejut: bagian depan partikel yang bergerak cepat menabrak partikel yang bergerak lebih lambat, mempercepatnya seperti kapar yang didorong oleh air yang deras. Tabrakan dahsyat menciptakan sinar-X yang dilihat para astronom dalam pembacaan IXPE.

Ini adalah pertama kalinya para astronom menggunakan metode polarisasi sinar-X untuk melihat hasilnya. “Ini benar-benar terobosan dalam pemahaman kami tentang sumber-sumber ini,” kata Liodakis.

Dalam perspektif yang menyertai di Alam, Lea Marcotulli, astrofisikawan di Universitas Yale yang bukan penulis di atas kertas, menyebut hasilnya “mempesona”. “Lompatan besar ke depan ini membawa kita selangkah lebih dekat untuk memahami akselerator partikel ekstrem ini,” tulisnya.

Tentu saja, masih banyak pertanyaan yang belum terjawab seputar jet. Apakah gelombang kejut ini menjelaskan semua partikel yang berakselerasi dari lubang hitam Markarian 501? Dan apakah blazar dan galaksi lain memiliki gelombang kejut seperti itu?

Liodakis mengatakan kelompoknya akan terus mempelajari sinar-X dari Markarian 501, setidaknya hingga 2023. Dengan objek yang begitu mempesona, sulit untuk berpaling.