“Osilasi” gelombang energi di atas bumi

Dengan mengukur bagaimana gelombang energi bergetar di langit di atas Bumi, para ilmuwan telah menciptakan cara untuk menyelidiki sejarah alam semesta kita yang berusia 13,8 miliar tahun – dimulai dari ‘cahaya pertama’.

Tim yang dipimpin oleh ahli astrofisika Universitas Johns Hopkins, menggunakan serangkaian teleskop gelombang mikro yang disebut Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) untuk memetakan 75% langit di atas Bumi. Observatorium ini terletak di Pegunungan Andes, sekitar 16.860 kaki di atas Gurun Atacama Chile.

Pengukuran yang dilakukan oleh CLASS berkaitan dengan “polarisasi gelombang mikro”, yang terkait dengan arah penyelarasan gelombang cahaya. Pengukuran ini akan membantu para ilmuwan menyaring panjang gelombang radiasi yang dilepaskan dari Bima Sakti yang terkait dengan cahaya pertama alam semesta, sebuah fosil langit yang disebut “cosmic microwave background,” atau CMB.

“Dengan mempelajari polarisasi CMB, ahli astrofisika dapat menyimpulkan seperti apa alam semesta di masa lalu,” kata Tobias Marriage, salah satu pemimpin tim dan profesor fisika dan astronomi Johns Hopkins, dalam sebuah pernyataan. “Ahli astrofisika dapat kembali ke masa yang sangat, sangat awal—kondisi awal, momen pertama ketika materi di alam semesta dan distribusi energi pertama kali diketahui—dan mereka dapat menghubungkan semua itu dengan apa yang kita lihat saat ini.”

Terkait: Penemuan mengejutkan sinar gamma bisa mengungkap misteri kosmik

Menguraikan fosil luar angkasa

CMB terdiri dari sisa cahaya dari peristiwa yang terjadi sekitar 380 juta tahun setelah Big Bang dalam periode yang disebut “Epoch of Recombination.” Hingga saat ini, alam semesta dipenuhi dengan plasma panas dan padat yang menjadikannya buram. Apa yang disebut zaman kegelapan kosmik ini disebabkan oleh elektron bebas yang memantul tanpa henti di sekitar partikel cahaya yang disebut foton.

Kemudian dimulailah masa rekombinasi, ketika alam semesta mengembang dan mendingin hingga memungkinkan elektron bergabung dengan proton untuk membentuk atom pertama dan menghasilkan unsur paling ringan dan paling sederhana di alam semesta: hidrogen. Hilangnya elektron bebas secara tiba-tiba berarti foton langsung bebas bergerak dan alam semesta menjadi transparan terhadap cahaya.

Cahaya pertama ini sekarang dilihat sebagai CMB.

Karena berasal dari masa ketika alam semesta jauh lebih padat dibandingkan sekarang, CMB tersebar hampir merata di seluruh alam semesta. Namun, terdapat sedikit variasi dalam CMB, dan karena radiasi ini telah ada selama sekitar 13,4 miliar tahun, variasi inilah yang menceritakan kisah materi dan bagaimana distribusinya berevolusi. Ini termasuk pembentukan bintang, galaksi, dan gugus galaksi pertama.

“Studi tentang radiasi peninggalan dari awal mula alam semesta sangat penting untuk memahami bagaimana seluruh alam semesta terbentuk dan mengapa hal itu terjadi,” Nigel Sharp, direktur program Divisi Ilmu Astronomi National Science Foundation, yang telah mendukung CLASS selama lebih dari satu dekade, kata dalam sebuah pernyataan. “Pengukuran baru ini memberikan detail skala besar yang substansial dalam gambaran kita tentang variasi yang ada dalam radiasi latar kosmik—suatu prestasi yang sangat mengesankan karena dicapai dengan instrumen berbasis darat.”

(Atas) Peta langit polarisasi CLASS baru dengan noise lebih sedikit dibandingkan peta satelit terkait (bawah). Arah polarisasi ditunjukkan dalam warna merah dan biru, sedangkan kekuatan polarisasi ditunjukkan oleh kedalaman warna. Bagian abu-abu menunjukkan bagian langit yang tidak dapat diamati oleh teleskop CLASS karena lokasi geografisnya. (Kredit gambar: Universitas John Hopkins)

Peta CLASS memberikan wawasan tentang sinyal gelombang mikro yang disebut polarisasi linier yang dipancarkan ketika cahaya dibatasi pada satu bidang. Polarisasi linier gelombang mikro adalah hasil dari medan magnet Bima Sakti, yang menggerakkan elektron dengan kecepatan tinggi. Sinyal ini dapat membantu dalam studi Bima Sakti – namun juga dapat menghambat eksplorasi CMB terhadap alam semesta awal.

Dengan memetakan langit gelombang mikro secara jelas dan memungkinkan para ilmuwan menyaring gelombang mikro yang terpolarisasi linier, CLASS dapat meningkatkan pemahaman kita tentang proses fisik yang ada di awal alam semesta. Proses-proses ini akan mampu menciptakan latar belakang polarisasi melingkar. Polarisasi melingkar terjadi ketika cahaya berperilaku sebagai gelombang transversal dua dimensi; ini berbeda dari gelombang mikro terpolarisasi linier.

Polarisasi linier versus polarisasi melingkar. (Kredit gambar: Domain Publik)

“Sangat penting untuk mengetahui kecerahan emisi dari galaksi Bima Sakti kita karena itulah yang perlu kita perbaiki untuk melakukan analisis lebih dalam terhadap latar belakang gelombang mikro kosmik,” Joseph Eimer, penulis utama studi tersebut dan ahli astrofisika di John Universitas Hopkins. katanya dalam sebuah pernyataan. “CLASS sangat berhasil dalam mengkarakterisasi sifat sinyal ini sehingga kita dapat mengenalinya dan menghilangkan kontaminan ini dari pengamatan.”

Dengan penyampaian hasil baru ini, CLASS telah menetapkan standar baru untuk pemetaan polarisasi cahaya, memberikan landasan baru bagi sebuah observatorium di Bumi yang mungkin harus menghadapi gangguan dari atmosfer planet kita.

“Proyek ini berada di garis depan dalam memajukan pengukuran polarisasi berbasis darat dalam skala terbesar,” Elmer menyimpulkan.

Penelitian tim ini dipublikasikan pada 26 Februari di The Astrophysical Journal.