Lubang Hitam Yang Tidak Terbentuk Daripada Keruntuhan Bintang 

Lubang hitam di Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1 yang diperhatikan oleh JWST di alam semesta awal (kira-kira 700 Myr selepas Letupan Besar) ialah lubang hitam supermasif yang telah membesar ke saiznya sekarang tanpa galaksi yang jauh lebih besar untuk memberi makan kepadanya. Menurut model standard evolusi bintang, lubang hitam terbentuk daripada kematian bintang yang lebih besar pada akhir hayatnya apabila ia kehabisan bahan api akibat keruntuhan teras bintang. Lubang hitam ini membesar dari segi saiz dengan memakan jirim dari galaksi yang jauh lebih besar. Lubang hitam Little Red Dot QSO1 tidak sesuai dengan kerangka ini dan merupakan sesuatu yang baharu. Ia terbentuk secara langsung tanpa evolusi bintang standard, iaitu, ia bukan sisa. keruntuhan teras bintang besar yang sedang nazak. Sebaliknya, ia sama ada lubang hitam keruntuhan langsung (DCBH) atau lubang hitam purba (PBH). Lubang hitam yang tidak terbentuk daripada keruntuhan bintang telah diteorikan sebelum ini. Ini adalah bukti lubang hitam yang terbentuk melalui proses di luar piawaian evolusi luar biasa.  

Bagaimanakah lubang hitam terbentuk? Menurut model piawai evolusi bintang, lubang hitam merupakan produk peringkat akhir evolusi bintang-bintang besar. Bintang mengalami perubahan mengikut peredaran masa. 

Kehidupan bintang bermula di awan gas dan debu antara bintang yang besar di galaksi dengan gumpalan gas akibat suhu rendah hingga poket ketumpatan tinggi. Gumpalan-gumpalan itu secara beransur-ansur berkumpul dan semakin banyak jirim dan membesar. Pada satu ketika, gumpalan runtuh akibat peningkatan daya graviti ke dalam. Geseran semasa keruntuhan memanaskan jirim dan bayi bintang dilahirkan. Ini adalah peringkat protobintang dalam kitaran hayat bintang. Keruntuhan graviti berterusan sehingga membawa kepada peningkatan suhu dan tekanan secara beransur-ansur di teras protobintang. Lama-kelamaan, suhu dan tekanan menjadi cukup tinggi untuk membolehkan nukleus hidrogen bercantum. Pelakuran nuklear melepaskan sejumlah besar tenaga yang memanaskan jirim dengan secukupnya untuk mengelakkan keruntuhan selanjutnya di bawah graviti. Ini adalah 'peringkat jujukan utama' bintang. Hidrogen adalah bahan api utama. 

Apabila bahan api kehabisan, pelakuran nuklear berhenti dan tiada tenaga untuk memanaskan bahan bagi mengimbangi daya graviti ke dalam dan terasnya runtuh, meninggalkan sisa padat. Inilah penghujung bintang. Bintang mati atau sisa padat sama ada kerdil putih, atau bintang neutron, atau lubang hitam bergantung pada jisim bintang asal. Bintang yang lebih berat daripada 20 jisim suria (>20 M⦿) menjadi lubang hitam pada akhir evolusi bintang apabila bahan api kehabisan. Ini adalah cara standard – bintang dan galaksi terbentuk dahulu, dan lubang hitam terbentuk kemudian sebagai peringkat akhir evolusi bintang. Jisim lubang hitam sedemikian jauh lebih kecil daripada jisim keseluruhan galaksi. 

Pembentukan lubang hitam bukan bintang

Bolehkah lubang hitam dibentuk melalui cara selain daripada melalui keruntuhan teras bintang? Dua saluran pembentukan "bukan bintang" telah diteorikan. 

Di alam semesta awal, awan gas primordial yang besar mungkin runtuh terus ke dalam lubang hitam, memintas pembentukan dan evolusi bintang biasa, lalu menimbulkan apa yang kita panggil Lubang Hitam Keruntuhan Langsung (DCBH). Lubang hitam hipotetikal lain yang terbentuk secara langsung tanpa penglibatan evolusi bintang standard ialah lubang hitam primordial (PBH). PBH ialah peninggalan Letupan Besar yang terbentuk dalam turun naik ketumpatan ekstrem alam semesta awal sejurus selepas Letupan Besar. 

Lubang hitam yang terbentuk melalui saluran "bukan bintang" hanya berteori, oleh itu ia hanyalah hipotesis. Tetapi keadaan mula berubah dengan pantas dengan pelancaran JWST pada Disember 2021, sebuah balai cerap angkasa inframerah yang dikhaskan untuk kajian alam semesta awal.

Teleskop Angkasa James Webb (JWST) merevolusikan kajian alam semesta awal 

JWST telah membuat beberapa pemerhatian yang mencabar pemahaman kita tentang alam semesta awal. Pemerhatian galaksi JADES-GS-z14-0 pada anjakan merah 14.32 yang menjadikannya galaksi paling jauh yang diketahui. Galaksi ini terbentuk di alam semesta awal kira-kira 290 juta tahun selepas Letupan Besar, namun ia merupakan galaksi yang besar, besar dan sangat bercahaya. Ia juga didapati kaya dengan logam yang bermaksud generasi bintang besar akan telah melengkapkan perjalanan hayat mereka dari kelahiran hingga letupan supernova kira-kira 290 juta tahun di alam semesta awal. Begitu juga, galaksi alam semesta awal GS-NDG-9422 yang bertarikh kira-kira satu bilion tahun selepas Letupan Besar didapati kompleks secara kimia tanpa bintang Populasi III. Mengikut pemahaman semasa, generasi pertama bintang alam semesta awal sepatutnya bintang Populasi III dengan kelogaman sifar. (Dalam astronomi, sebarang unsur yang lebih berat daripada helium dianggap sebagai logam. Bukan logam kimia seperti oksigen, nitrogen dll adalah logam dalam konteks kosmologi. Bintang mendapat logam yang diperkaya dalam setiap generasi selepas peristiwa supernova). 

JWST juga telah memerhatikan lubang hitam supermasif di alam semesta awal. Satu lubang hitam sedemikian bertarikh kira-kira 700 juta tahun selepas Letupan Besar dan berukuran kira-kira beberapa juta kali jisim Matahari. Semuanya bermula dengan JWST memerhatikan Titik Merah Kecil (LRD) yang diperhatikan dalam siaran data pertama JWST pada tahun 2022. Objek padat berwarna merah ini mempunyai spektrum berbentuk V dan menunjukkan pancaran daripada gas hidrogen berkelajuan tinggi. 

Titik Merah Kecil QSO1 (atau Abell2744-QSO1) 

QSO1 (atau Abell2744-QSO1) ialah prototaip Titik Merah Kecil yang berukuran kira-kira 1,300 tahun cahaya pada jarak lebih daripada 13 bilion tahun cahaya. Ia wujud di alam semesta awal hanya 700 juta tahun selepas Letupan Besar. Ia dilensakan secara graviti oleh gugusan galaksi Abell 2744 (Gugusan Pandora), oleh itu ia dibesarkan dan diimejkan tiga kali ganda, muncul di tiga lokasi berbeza di langit. Hasilnya, QSO1 lebih mudah dikaji berbanding kebanyakan Titik Merah Kecil yang lain. 

Kajian terperinci tentang Titik Merah Kecil (LRD) ini telah membawa para penyelidik untuk membuat kesimpulan bahawa beberapa lubang hitam supermasif adalah sangat besar sejak awal. Ia terbentuk tanpa fasa keruntuhan bintang dan tanpa galaksi hos yang jauh lebih besar untuk memberi makan kepada mereka. 

QSO bermaksud Objek Kuasi-Bintang (biasanya dirujuk sebagai quasar). 

Kajian awal mendedahkan bahawa QSO1 lebih daripada sekadar awan gas hidrogen dan helium yang bercahaya yang mengelilingi lubang hitam supermasif kira-kira 40 juta kali jisim Matahari. Walau bagaimanapun, terdapat ketidakpastian sama ada ia benar-benar sebesar itu. Ini kerana sebelum ini, semua ukuran jisim lubang hitam di alam semesta awal adalah tidak langsung, berdasarkan andaian daripada apa yang kita ketahui tentangnya di alam semesta tempatan. Kita tidak tahu sama ada andaian tersebut benar-benar terpakai kepada alam semesta awal. 

Para penyelidik menyedari bahawa jika lubang hitam QSO1 benar-benar sebesar itu, mereka sepatutnya dapat menggunakan unit medan integral (IFU) pada JWST untuk mengesan kesan gravitinya terhadap gas yang berpusar di sekelilingnya, di samping memetakan taburan pelbagai unsur dalam gas tersebut. Oleh itu, mereka menggunakan pemerhatian IFU dan memetakan gerakan gas hidrogen yang mengelilingi lubang hitam. 

Plot halaju putaran sebagai fungsi jarak dari pusat mendedahkan bahawa gas tersebut mempunyai gerakan Keplerian yang bermaksud kebanyakan jisim Titik Merah Kecil QSO1 tertumpu di lubang hitam di pusat. Jika jisim tersebut diagihkan, gas tersebut tidak akan mengorbit titik pusat dengan cara Keplerian yang sempurna sepertimana planet mengorbit Matahari dalam sistem suria. 

Memandangkan gerakan Keplerian dikawal oleh hukum graviti, pengukuran halaju gas membolehkan para penyelidik mengira jisim lubang hitam secara langsung. Ini merupakan pengukuran langsung pertama jisim lubang hitam awal alam semesta. Didapati bahawa lubang hitam QSO1 mempunyai jisim kira-kira 50 juta jisim suria. Selain itu, lubang hitam ini mempunyai dua pertiga daripada jumlah jisim QSO1. Ini sangat jarang berlaku kerana lubang hitam supermasif di galaksi berdekatan secara amnya hanya membentuk sebahagian kecil daripada jumlah jisim galaksi hos.

Tambahan pula, analisis peta komposisi IFU menunjukkan bahawa gas di seluruh QSO1 hampir keseluruhannya adalah hidrogen dan helium. Galaksi yang kaya dengan bintang dan serpihan bintang sepatutnya mempunyai unsur yang lebih berat seperti oksigen, tetapi QSO1 mempunyai kelogaman yang sangat rendah, kurang daripada 0.5% daripada Matahari, yang menunjukkan QSO1 mempunyai persekitaran galaksi yang sangat asli.

Jisim QSO1 yang besar berbanding galaksi perumahnya menunjukkan bahawa ia mestilah tidak terbentuk daripada penggabungan dan penyusuan lubang hitam jisim bintang yang lebih kecil secara beransur-ansur. Nampaknya, lubang hitam Little Red Dot QSO1 mendahului proses evolusi bintang. Ia mungkin telah berkembang daripada benih berat yang terbentuk dalam saat pertama Letupan Besar (lubang hitam primordial) atau agak kemudian daripada keruntuhan awan gas gergasi (lubang hitam keruntuhan langsung) dan mungkin berada di peringkat awal pembinaan galaksi di sekelilingnya. Pada masa ini, tidak mungkin untuk mengatakan sama ada lubang hitam supermasif Little Red Dot QSO1 ialah lubang hitam primordial (PBH) atau lubang hitam keruntuhan langsung (DCBH); walau bagaimanapun, terdapat bukti pembentukan lubang hitam bukan bintang di alam semesta awal.

***

Rujukan: 

1. Maiolino R., et al 2026. Lubang hitam dalam galaksi yang hampir asli 700 Myr selepas letupan besar. Notis Bulanan Persatuan Astronomi Diraja, Jilid 548, Isu 1, Mei 2026, staf2109. Diterbitkan 06 April 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. dkk. Pengukuran jisim lubang hitam secara langsung dalam titik merah kecil pada anjakan merah yang tinggi. Nature 653, 1017–1021 (2026). Diterbitkan pada 27 Mei 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Webb NASA Mendedahkan Lubang Hitam Yang Terbentuk Sebelum Galaksinya. Disiarkan pada 27 Mei 2026. Boleh didapati di https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Related articles 

Teleskop Angkasa James Webb (JWST): Balai Cerap Angkasa Pertama yang Didedikasikan untuk Kajian Alam Semesta Awal (6 November 2021) 

Kajian Alam Semesta Awal: Eksperimen REACH untuk mengesan garisan 21 cm yang sukar difahami daripada Hidrogen Kosmik(3 Ogos 2022) 

Kerdil Coklat (BD): Teleskop James Webb Mengenalpasti Objek Terkecil yang terbentuk dengan cara seperti Bintang (5 Januari 2024) 

Lubang Hitam Tertua dari Alam Semesta Awal Mencabar Model Pembentukan Lubang Hitam (24 Januari 2024) 

Alam Semesta Awal: Galaksi Paling Jauh “JADES-GS-z14-0″ Mencabar Model Pembentukan Galaxy (12 Ogos 2024) 

Paradoks Bintang Kaya Logam di Alam Semesta Awal (27 September 2024)

***