Selama beberapa dekade, para ilmuwan bingung mengenai tikungan tajam dalam spektrum energi sinar kosmik, yang dikenal sebagai “lutut”, sekitar 3 PeV (peta-elektron volt). Kini, hasil terobosan dari Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) mengonfirmasi bahwa akselerator partikel kuat dalam sistem lubang hitam—khususnya, mikro-quasar—kemungkinan besar adalah sumber fenomena kosmik ini. Penemuan ini tidak hanya memecahkan misteri lama tetapi juga mengungkap peran penting lubang hitam dalam membentuk sinar kosmik berenergi tinggi di galaksi kita.
Teka-teki Cosmic Ray Knee Berusia Puluhan Tahun
Sinar kosmik, partikel berenergi tinggi yang membombardir Bumi dari luar angkasa, menunjukkan spektrum di mana jumlah partikel berkurang seiring dengan meningkatnya energi. Namun, pada sekitar 3 PeV, spektrumnya mengambil bentuk “lutut” yang berbeda—penurunan jumlah partikel secara tiba-tiba. Penyebab perubahan mendadak ini masih belum diketahui selama hampir 70 tahun, dengan teori yang menunjukkan keterbatasan dalam proses percepatan astrofisika.
Terobosan LHAASO: Micro-Quasar sebagai Akselerator Kosmik
Penelitian terbaru, yang diterbitkan dalam National Science Review dan Science Bulletin, menunjukkan bahwa mikro-quasar—sistem biner tempat lubang hitam mengumpulkan material dari bintang pendampingnya—mampu mempercepat partikel menjadi energi PeV. LHAASO secara sistematis mendeteksi sinar gamma berenergi ultra tinggi dari lima mikro-quasar: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070, dan Cygnus X-1.
Radiasi berenergi sangat tinggi dari SS 433 ditemukan tumpang tindih dengan awan atom raksasa, menunjukkan bahwa proton berenergi tinggi dipercepat oleh lubang hitam dan bertabrakan dengan materi di sekitarnya. Energi proton dalam sistem ini melebihi 1 PeV, dengan total keluaran daya setara dengan empat triliun bom hidrogen yang meledak per detik. V4641 Sgr menunjukkan energi sinar gamma mencapai 0,8 PeV, menjadikannya “akselerator partikel super PeV.”
Mengapa Sisa Supernova Tidak Cukup
Secara historis, sisa-sisa supernova dianggap sebagai sumber utama sinar kosmik. Namun, studi observasional dan teoritis menunjukkan bahwa mereka kekurangan energi untuk mempercepat partikel ke tingkat PeV dan seterusnya. Temuan LHAASO mengkonfirmasi bahwa mikro-quasar mengisi kesenjangan ini, memberikan kemampuan akselerasi yang diperlukan untuk menghasilkan komponen sinar kosmik berenergi tinggi.
Tantangan Mengukur Spektrum Sinar Kosmik
Mengukur secara tepat spektrum energi sinar kosmik, terutama proton, sangatlah sulit. Daerah “lutut” sangat jarang, sehingga deteksinya mirip seperti menemukan jarum di tumpukan jerami. Pengukuran di darat menjadi rumit karena adanya gangguan atmosfer, sehingga sulit membedakan proton dari inti atom lainnya. LHAASO mengatasi tantangan ini dengan memanfaatkan peralatan observasi canggihnya dan mengembangkan teknik pengukuran multi-parameter.
Beberapa Akselerator Membentuk Lanskap Sinar Kosmik
Temuan LHAASO, dikombinasikan dengan data dari eksperimen AMS-02 dan DArk Matter Particle Explorer (DAMPE) yang dibawa ke luar angkasa, mengungkap gambaran yang kompleks. Galaksi ini memiliki banyak akselerator, masing-masing dengan kemampuan unik dan jangkauan energinya sendiri. “Knee” mewakili batas percepatan sumber yang bertanggung jawab untuk menghasilkan komponen energi tinggi, dengan mikro-quasar memainkan peran penting.
Menghubungkan Lubang Hitam ke Lutut Sinar Kosmik
Desain rangkaian detektor hibrid LHAASO memungkinkan pendeteksian sumber sinar kosmik melalui sinar gamma berenergi sangat tinggi, sekaligus memungkinkan pengukuran partikel sinar kosmik secara tepat. Pendekatan ini memberikan wawasan tentang kemampuan percepatan sumber energi PeV dan karakteristik spektral yang dikontribusikannya terhadap sinar kosmik. Untuk pertama kalinya, struktur “lutut” secara observasi telah dihubungkan dengan jenis sumber astrofisika tertentu—sistem jet lubang hitam.
Terobosan Tiongkok dalam Penelitian Sinar Kosmik
LHAASO, dirancang, dibangun, dan dioperasikan oleh para ilmuwan Tiongkok, telah memimpin penelitian sinar kosmik berenergi tinggi karena sensitivitasnya dalam astronomi sinar gamma dan pengukuran presisi sinar kosmik. Serangkaian penemuannya berdampak global, berkontribusi pada pengetahuan kita tentang proses fisik ekstrem di alam semesta.
Kesimpulannya, temuan LHAASO memberikan bukti pasti bahwa sistem lubang hitam, khususnya mikro-quasar, adalah sumber utama sinar kosmik berenergi tinggi yang bertanggung jawab atas “lutut” dalam spektrum energi. Terobosan ini tidak hanya memecahkan misteri berusia puluhan tahun, tetapi juga membangun hubungan penting antara lubang hitam dan percepatan partikel ekstrem yang terjadi di galaksi kita.
