Teleskop Kutub Selatan menemukan ‘harta karun’

Cahaya kosmik kuno yang memenuhi alam semesta secara seragam selama sekitar 400.000 tahun setelah Big Bang dapat bertindak sebagai peta harta karun yang mengarahkan para ilmuwan pada rahasia materi gelap.

Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB) mengacu pada cahaya pertama yang bergerak bebas melalui ruang angkasa. Perjalanannya dimulai setelah alam semesta mengembang dan cukup dingin untuk memungkinkan elektron dan proton membentuk atom pertama, yang berarti bahwa elektron tidak lagi menghamburkan foton secara tak terhingga dan alam semesta langsung berubah dari buram menjadi transparan.

CMB, atau kadang disebut “permukaan hamburan terakhir”, ditangkap oleh kamera baru yang ditingkatkan yang disebut SPT-3G. SPT-3G terletak di Teleskop Kutub Selatan dan setelah lima tahun beroperasi, SPT-3G berhasil menangkap fenomena tersebut dengan data awal yang menunjukkan perkembangan menarik di masa depan.

“CMB adalah peta harta karun bagi para kosmolog,” kata Zhaodi Pan, penulis utama penelitian dan ilmuwan di Argonne National Laboratory, dalam sebuah pernyataan. “Perubahan suhu dan polarisasi yang sangat kecil memberikan jendela unik menuju masa awal alam semesta.”

Terkait: Bagaimana penerus Large Hadron Collider akan memburu alam semesta yang gelap

Namun, seperti yang dikatakan oleh bajak laut mana pun, semua peta harta karun yang bagus memerlukan kunci untuk dibaca. Dalam kasus peta harta karun kosmik ini, distribusi materi gelap terungkap hanya berdasarkan teori gravitasi: Relativitas Umum Albert Einstein tahun 1915.

Gambar CMB yang diambil oleh teleskop Planck menunjukkan variasi kecil yang dapat diungkapkan oleh para kosmolog. (Kredit gambar: ESA dan Kolaborasi Planck)

Membaca Peta Kosmik bersama Einstein

Para astronom percaya bahwa semua galaksi diselimuti oleh lingkaran materi gelap yang sangat besar; faktanya, bentuk materi misterius ini ada di mana-mana sehingga mencakup 68% dari seluruh materi di alam semesta.

Namun karena materi gelap tidak terdiri dari atom yang terdiri dari elektron, proton, dan neutron – yang secara kolektif dikenal sebagai baryon – maka materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya. Namun materi gelap memiliki massa, dan itu berarti ia berinteraksi dengan gravitasi.

Di sinilah relativitas umum berperan. Teori gravitasi Einstein menyatakan bahwa semua benda bermassa menyebabkan ruang-waktu melengkung, suatu kesatuan 4 dimensi yang terdiri dari tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu.

Infografis yang menjelaskan cara kerja pelensaan gravitasi. (Kredit gambar: NASA, ESA & L. Calçada)

Ketika cahaya dari sumber latar belakang melewati kelengkungan ruang yang disebabkan oleh materi, jalurnya dibelokkan. Untuk objek berukuran besar seperti galaksi, cahaya latar belakang dapat dibelokkan sedemikian rupa sehingga galaksi atau bintang asal objek tersebut tampak bergeser melintasi langit. Dalam kasus ekstrim, cahaya yang melewati objek perantara ini dapat mengikuti jalur di sekitar objek yang melengkung dengan derajat yang berbeda-beda, artinya satu sumber terkadang dapat muncul di beberapa titik dalam gambar yang sama.

Efek ini disebut pelensaan gravitasi, dan digunakan dengan sangat efektif oleh instrumen seperti Teleskop Luar Angkasa James Webb untuk mengamati galaksi redup di alam semesta awal. Versi yang lebih halus dari efek ini, pelensaan mikro gravitasi, dapat digunakan untuk mengetahui lebih banyak tentang objek pelensaan—dalam hal ini, materi gelap.

Namun untuk mendapatkan gambaran jaringan materi gelap di alam semesta, para ilmuwan membutuhkan sumber cahaya yang memiliki luas ruang yang sama. Hal ini menjadikan CMB sebagai cahaya ideal untuk penyelidikan pelensaan materi gelap yang epik.

Bulan terbit di teleskop Kutub Selatan dengan aurora borealis di atasnya. Teleskop SPT-3G memburu cahaya purba berupa CMB. (Kredit gambar: Aman Chokshi)

SPT-3G secara khusus mampu memanfaatkan kurangnya interferensi yang ada di atmosfer yang kering dan stabil serta lokasi Teleskop Kutub Selatan yang terpencil. Dalam prosesnya, penyelidikan tersebut menambah bukti bukti lebih lanjut terhadap relativitas umum Einstein,

“Semakin banyak yang kita pelajari tentang distribusi materi gelap, semakin dekat kita memahami sifat dan perannya dalam membentuk alam semesta yang kita tinggali saat ini,” kata Pan.

Meskipun analisis baru ini merupakan hasil pengoperasian yang baru dilakukan beberapa bulan pada tahun 2018, pengukuran pelensaan CMB sudah kompetitif di lapangan.

“Salah satu bagian yang sangat menarik dari penelitian ini adalah bahwa hasilnya berasal dari data yang pada dasarnya menggunakan data ketika kami baru memulai observasi dengan SPT-3G – dan hasilnya sudah luar biasa,” Amy Bender, penulis studi tersebut dan fisikawan Argonne, katanya dalam sebuah pernyataan. “Kami memiliki data lima tahun lagi yang sedang kami analisis sekarang, jadi ini hanyalah indikasi tentang apa yang akan terjadi.”

Bahkan dengan menggunakan sekelompok komputer khusus di Argonne Laboratory Computing Resource Center, menganalisis data berbulan-bulan dari kamera SPT-3G adalah pekerjaan melelahkan yang memakan waktu bertahun-tahun.

Hasil kamera di masa depan dapat membantu para ilmuwan memecahkan misteri kosmik lama lainnya: sifat energi gelap, kekuatan tak diketahui yang mendorong percepatan perluasan alam semesta.

“Setiap kali kami menambahkan lebih banyak data, kami menemukan lebih banyak hal yang tidak kami pahami,” Bender menyimpulkan. “Saat Anda mengupas lapisan bawang ini, Anda belajar lebih banyak tentang instrumen Anda serta pengukuran ilmiah Anda terhadap langit.”

Hasil pertama dari kamera SPT-3G dipublikasikan tahun lalu di jurnal Physical Review D.