The Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) adalah rumah bagi banyak proyek interdisipliner yang mendapat manfaat dari sinergi berbagai keahlian, yang tersedia di institut tersebut. Salah satu proyek tersebut adalah studi tentang lubang hitam yang bisa saja terbentuk di awal alam semesta, sebelum bintang dan galaksi lahir.
Lubang hitam primordial (PBH) semacam itu dapat menjelaskan semua atau sebagian materi gelap, dan bertanggung jawab atas beberapa sinyal gelombang gravitasi yang diamati, serta benih lubang hitam supermasif yang ditemukan di pusat galaksi kita dan galaksi lain. Mereka juga bisa berperan dalam sintesis unsur-unsur berat ketika bertabrakan dengan bintang neutron dan menghancurkannya, melepaskan materi kaya akan neutron.
Secara khusus, ada kemungkinan yang menarik bahwa materi gelap misterius, yang bertanggung jawab atas sebagian besar materi di alam semesta, terdiri dari lubang hitam purba. Hadiah Nobel Fisika 2020 diberikan kepada seorang ahli teori, Roger Penrose, dan dua astronom, Reinhard Genzel dan Andrea Ghez, atas penemuan mereka yang mengkonfirmasi keberadaan lubang hitam. Karena lubang hitam diketahui ada di alam, mereka menjadi kandidat yang sangat menarik untuk materi gelap.
Kemajuan terbaru dalam teori fundamental, astrofisika, dan pengamatan astronomi untuk mencari PBH telah dibuat oleh tim fisikawan partikel internasional, ahli kosmologi, dan astronom. Termasuk oleh anggota Kavli IPMU yakni Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada dan Volodymyr Takhistov.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang lubang hitam primordial, tim peneliti melihat alam semesta awal untuk mendapatkan petunjuk. Alam semesta awal begitu padat sehingga setiap fluktuasi kepadatan positif lebih dari 50 persen, akan menciptakan lubang hitam. Namun, gangguan kosmologis yang diunggulkan galaksi diketahui jauh lebih kecil. Meski demikian, sejumlah proses di alam semesta awal dapat menciptakan kondisi yang tepat untuk pembentukan lubang hitam.
Salah satu kemungkinan yang menarik adalah bahwa lubang hitam primordial dapat terbentuk dari “bayi alam semesta” yang tercipta selama inflasi, periode ekspansi cepat yang diyakini bertanggung jawab untuk menyebarkan struktur yang kita amati hari ini, seperti galaksi dan kelompok galaksi. Selama inflasi, bayi alam semesta dapat bercabang dari alam semesta kita. Alam semesta bayi kecil pada akhirnya akan runtuh, tetapi sejumlah besar energi yang dilepaskan dalam volume kecil menyebabkan lubang hitam terbentuk.
Nasib yang lebih aneh menunggu bayi semesta yang lebih besar. Jika ukurannya lebih besar dari suatu ukuran kritis, teori gravitasi Einstein memungkinkan bayi alam semesta ada dalam keadaan yang tampak berbeda bagi pengamat di dalam dan di luar. Pengamat internal melihatnya sebagai alam semesta yang mengembang, sementara pengamat luar (seperti kita) melihatnya sebagai lubang hitam.
Dalam kedua kasus, alam semesta bayi besar dan kecil dilihat oleh kita sebagai lubang hitam primordial, yang menyembunyikan struktur yang mendasari banyak alam semesta di balik “cakrawala peristiwa” mereka. Cakrawala peristiwa adalah batas di mana segala sesuatu, bahkan cahaya, terperangkap dan tidak bisa lepas dari lubang hitam.
Dalam makalah mereka, tim menggambarkan skenario baru untuk pembentukan PBH dan menunjukkan bahwa lubang hitam dari skenario “multiverse” dapat ditemukan menggunakan Hyper Suprime-Cam (HSC) dari Teleskop Subaru 8,2m, kamera digital raksasa, yang merupakan pengelolaan di mana Kavli IPMU memainkan peran penting di dekat puncak Gunung 4.200 meteran.
Pekerjaan mereka merupakan perpanjangan upaya dari pencarian HSC di PBH yang digarap oleh Masahiro Takada, Principal Investigator di Kavli IPMU, dan timnya. Tim HSC baru-baru ini melaporkan kendala utama pada keberadaan PBH di Niikura.
Mengapa HSC sangat diperlukan dalam penelitian ini? HSC memiliki kemampuan unik untuk mengambil gambar seluruh galaksi Andromeda setiap beberapa menit. Jika lubang hitam melewati garis pandang ke salah satu bintang, gravitasi lubang hitam membelokkan sinar cahaya dan membuat bintang tampak lebih terang dari sebelumnya dalam waktu singkat.
Durasi kecerahan bintang memberitahu para astronom massa lubang hitam. Dengan pengamatan HSC, seseorang dapat secara bersamaan mengamati seratus juta bintang, membuat jaring lebar untuk lubang hitam primordial yang mungkin melintasi salah satu garis pandang.
Pengamatan HSC pertama telah melaporkan peristiwa kandidat yang sangat menarik yang konsisten dengan PBH dari “multiverse”, dengan massa lubang hitam yang sebanding dengan massa Bulan. Didorong oleh tanda pertama ini, dan dipandu oleh pemahaman teoritis baru, tim melakukan observasi babak baru untuk memperluas pencarian dan untuk memberikan tes definitif apakah PBH dari skenario multiverse dapat menjelaskan semua materi gelap.