Bagaimana galaksi katai menyinari alam semesta

Ilustrasi reionisasi alam semesta, yang telah berubah dari kuali (merah, kanan) partikel subatom menjadi lautan gas hidrogen netral yang dipenuhi bintang-bintang awal (tengah) hingga keadaan transparan saat ini (kiri). Kredit: Mark Garlick/ SPL

Para astronom menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) untuk menunjukkan bahwa miniatur galaksi yang redup membersihkan alam semesta awal dari kabut atom hidrogen – yang memungkinkan cahaya bintang bersinar melintasi ruang angkasa untuk pertama kalinya.

Penelitian yang diterbitkan hari ini di Nature1, memberikan bukti bahwa galaksi katai yang berukuran sekitar 100 kali lebih kecil dari Bima Sakti telah memicu proses yang dikenal sebagai reionisasi yang telah mengubah jalannya sejarah kosmik. “Alam semesta menjadi transparan,” kata Hakim Atek, ahli astrofisika di Institut Astrofisika Paris dan penulis utama studi tersebut. “Melalui reionisasi kita dapat melihat galaksi jauh.

Hal ini muncul dari zaman kegelapan kosmis

Sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang, alam semesta merupakan tungku partikel subatom yang panas dan padat. Saat kosmos mendingin, elektron bebas dan proton bergabung membentuk gas dengan atom hidrogen netral.

Periode kegelapan yang suram pun terjadi. Hal ini berlangsung hingga gas tersebut pecah di beberapa tempat dan menyatu membentuk bintang pertama yang menghasilkan sinar ultraviolet (UV). Namun, sisa gas yang menembus ruang angkasa menyerap atau menyebarkan cahaya ini. Akibatnya, alam semesta menyerupai hutan berkabut yang dipenuhi kunang-kunang yang redup dan berkelap-kelip, dan sumber cahaya hanya terlihat dalam jarak dekat.

Para astronom mendeteksi cahaya dari bintang-bintang pertama di alam semesta

Untuk membuat ruang angkasa menjadi transparan, diperlukan sesuatu untuk membombardir gas ini dengan radiasi “pengion” yang kuat yang dapat mengubah atom hidrogen netral menjadi partikel bermuatan atau ion hidrogen. Ketiga kandidat tersebut adalah jet cahaya energik yang disebut quasar, yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif; galaksi besar kira-kira seukuran Bima Sakti; dan akhirnya “kerang” – galaksi katai.

Galaksi besar akan menyerap sebagian besar radiasi UVnya, kata Claudia Scarlata, ahli astrofisika di Universitas Minnesota di Minneapolis. Dan mungkin jumlah quasar yang ada terlalu sedikit untuk mengatur keseluruhan proses. Namun, galaksi katai berukuran cukup kecil sehingga sinar UV yang dihasilkannya dapat lolos dengan mudah.

Pengamatan terhadap galaksi katai yang lebih muda dan lebih dekat ke Bumi menunjukkan bahwa mereka mungkin memancarkan radiasi pengion. Namun, “memiliki data dari galaksi-galaksi awal yang dapat mengonfirmasi hal tersebut sungguh tiada duanya,” kata James Rhoads, ahli astrofisika di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland. Namun galaksi katai era reionisasi terlalu kecil dan terlalu redup untuk dideteksi—bahkan untuk JWST.

Kisah dua teleskop

Untuk mengatasi masalah ini, penulis menggunakan “teleskop alami”: sekelompok galaksi yang terletak sekitar 1,2 juta parsec dari Bumi. Gugus ini sangat besar sehingga mendistorsi cahaya yang melewatinya, sehingga memperbesar sumber cahaya di belakang lensa jika dilihat dari Bumi.

Para penulis menggunakan lensa ini untuk mengamati delapan galaksi katai dari era reionisasi, ketika alam semesta berusia kurang dari satu miliar tahun. Galaksi-galaksi tersebut adalah objek paling redup yang pernah diamati sejak saat itu.

Pemandangan pertama lubang hitam yang sepi akan menyenangkan para astronom

Dengan menggunakan data yang dikumpulkan oleh JWST, para astronom menganalisis panjang gelombang sinar UV dari galaksi-galaksi tersebut. Hal ini memungkinkan tim untuk memperkirakan bahwa galaksi kecil dan redup ini dapat dengan mudah mengeluarkan gas hidrogen di sekitarnya. Para peneliti juga memperkirakan bahwa galaksi katai begitu melimpah hingga satu miliar tahun setelah Big Bang sehingga mereka mengionisasi seluruh alam semesta, meskipun 5% dari radiasi pengionnya lolos ke ruang antargalaksi.

Galaksi-galaksi kecil adalah yang pertama terbentuk di alam semesta, yang “mungkin membuatnya lebih mudah untuk diluncurkan [reionization] proses awal” dalam sejarah alam semesta, kata Rhoads. Saat masing-masing galaksi memancarkan radiasi, secara efektif ia meniupkan gelembung transparansi yang kemudian meluas menjadi gas netral. Akhirnya, semua gelembung dari seluruh galaksi saling tumpang tindih dan transformasi pun selesai.

Galaksi katai akan mengeluarkan gelembung yang lebih kecil daripada yang dihasilkan oleh quasar dan galaksi masif, dan gelembung kecil tersebut dapat memastikan bahwa reionisasi terjadi secara homogen di seluruh alam semesta. Hal ini pada gilirannya berdampak pada arsitektur alam semesta saat ini, kata Atek.