TABRAKAN LUBANG HITAM TERBERAT TERNYATA TIDAK MELINGKAR
Pada 23 November 2023, observatorium LIGO di Hanford dan Livingston merekam GW231123, penggabungan dua lubang hitam paling masif yang dilaporkan sejauh ini. Dengan asumsi orbit melingkar, analisis standar memberikan massa sekitar 137 dan 101 kali massa Matahari, keduanya berputar sangat cepat.
Angka-angka itu janggal. Lubang hitam yang lebih kecil jatuh di dalam apa yang disebut celah massa ketidakstabilan pasangan (pair-instability mass gap), rentang massa yang sulit dihasilkan oleh keruntuhan bintang biasa. Salah satu jalan keluarnya adalah penggabungan hierarkis: di lingkungan yang padat seperti gugus bintang rapat, sisa dari satu penggabungan tetap berada di sekitar situ dan kemudian bergabung lagi. Makalah ini juga mencatat petunjuk yang berguna: ketika dua lubang hitam bermassa serupa dengan putaran kecil bergabung, sisanya biasanya berputar dengan nilai sekitar 0,7, pada skala tanpa dimensi yang digunakan fisikawan, di mana nilai mendekati 1 berarti putaran yang nyaris ekstrem.
Hanya beberapa siklus
GW231123 berlangsung singkat: hanya beberapa siklus gelombang yang terukur sebelum penceburan akhir. Hal itu membuat penafsirannya sangat peka terhadap model bentuk gelombang. Satu sifat sangat sulit dipastikan: eksentrisitas, yaitu seberapa lonjong orbitnya. Pemancaran gelombang gravitasi cenderung membulatkan orbit pasangan tua yang terisolasi, tetapi pertemuan jarak dekat di lingkungan padat bisa menyisakan sedikit eksentrisitas. Dalam beberapa siklus saja, orbit lonjong dapat meniru goyangan lubang hitam yang berputar. Jika sebuah model mengabaikan eksentrisitas, putaranlah yang mungkin menyerap jejaknya.
Mulai lebih rendah, melihat lebih banyak
Baoxiang Wang dan Tao Yang dari Universitas Wuhan, bersama rekan-rekan dari Universitas Normal Beijing, Institut Max Planck untuk Fisika Gravitasi di Potsdam, dan Universitas Ningbo, menganalisis ulang data publik dengan model bentuk gelombang yang memperhitungkan eksentrisitas sekaligus putaran yang berpresesi. Perbedaan kuncinya: untuk detektor Hanford, yang data publiknya telah dibersihkan dari sebuah gangguan sesaat (glitch), mereka mulai dari 11 hertz alih-alih 20. Eksentrisitas lebih besar pada frekuensi rendah, sehingga bagian awal sinyal inilah yang paling menentukan.
- Eksentrisitas orbit diperoleh sebesar 0,34, didefinisikan pada frekuensi 5,5 hertz.
- Model eksentrik didukung oleh faktor Bayes sebesar 10,2: data sekitar sepuluh kali lebih baik dijelaskan oleh orbit lonjong daripada orbit melingkar.
- Jika dimulai dari 20 hertz, seperti studi-studi sebelumnya, mereka hanya menemukan sedikit eksentrisitas — sejalan dengan studi-studi tersebut.
Untuk mengujinya, mereka membuat GW231123 tiruan dengan orbit lonjong dan menganalisisnya dengan cara yang sama. Sinyal tiruan itu berperilaku persis seperti peristiwa sebenarnya: jelas eksentrik mulai dari 11 hertz, jauh berkurang mulai dari 20. Memulai terlalu tinggi dapat menyembunyikan orbit lonjong.
Teka-teki putaran mulai terurai
Memperhitungkan eksentrisitas paling banyak mengubah lubang hitam yang lebih kecil. Putarannya turun dari 0,90 pada analisis melingkar menjadi sekitar 0,74, mendekati nilai 0,7 yang diharapkan untuk sisa penggabungan sebelumnya. Sinyal tiruan menunjukkan efek yang sama: jika dianalisis sebagai melingkar, lubang hitam kecilnya tampak berputar lebih cepat daripada yang sebenarnya.
Lubang hitam yang lebih besar tetap berputar cepat dalam kedua analisis, dan massanya sulit cocok dengan asal-usul generasi kedua yang sederhana. Karena itu, kedua lubang hitam ini mungkin memiliki sejarah berbeda: yang lebih kecil mungkin anak dari dua lubang hitam sebelumnya, yang lebih besar terbentuk dengan cara lain. Menambahkan kemungkinan adanya lensa gravitasi di sepanjang garis pandang tidak mengubah hasil eksentrik ini.
Apa yang berubah
Studi-studi sebelumnya menggunakan lubang hitam yang lebih kecil dari GW231123 untuk menentukan batas atas celah massa ketidakstabilan pasangan. Jika lubang hitam itu sendiri merupakan hasil penggabungan, menurut para penulis, massanya tidak dapat menetapkan batas itu sendirian. Faktor Bayes 10 adalah petunjuk, bukan bukti — para penulis sendiri mencatat bahwa sinyal yang benar-benar eksentrik tidak selalu memberi preferensi kuat ketika sinyalnya singkat. Ketika batas suatu populasi bertumpu pada segelintir peristiwa yang tidak biasa, simpul mereka, asumsi bentuk gelombang di balik peristiwa-peristiwa itu berpengaruh secara langsung.