Teleskop Luar Angkasa James Webb menemukan katai

Para astronom menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) dan efek yang diprediksi oleh Albert Einstein lebih dari 100 tahun yang lalu untuk menemukan bahwa galaksi-galaksi kecil di awal kosmos membentuk dampak besar yang membentuk seluruh alam semesta ketika usianya kurang dari 1 miliar tahun.

Sebuah tim internasional menemukan bahwa galaksi yang menyerupai galaksi katai yang ada saat ini memainkan peran penting dalam fase penting evolusi kosmik yang terjadi antara 500 dan 900 juta tahun setelah Big Bang. Galaksi-galaksi kecil ini juga jauh melebihi jumlah galaksi-galaksi besar di alam semesta bayi, kata para peneliti, seraya menambahkan bahwa kemungkinan besar galaksi-galaksi tersebut memasok sebagian besar energi yang diperlukan untuk proses yang disebut reionisasi kosmik. Reionisasi kosmik sangat penting bagi pertumbuhan dan perkembangan alam semesta.

“Kita sebenarnya berbicara tentang transformasi global seluruh alam semesta,” Hakim Atek, penulis utama studi tersebut dan astronom di Institut d’Astrophysique de Paris, mengatakan kepada Space.com. “Kejutan utamanya adalah galaksi-galaksi kecil dan redup ini memiliki begitu banyak energi sehingga radiasi kumulatifnya dapat mengubah seluruh alam semesta.”

Terkait: Teleskop Luar Angkasa James Webb menemukan lubang hitam supermasif ‘sangat merah’ yang tumbuh di alam semesta awal

Kekuatan kecil yang mendorong perubahan besar

Sekitar 380 juta tahun yang lalu setelah Big Bang, pada periode yang disebut zaman rekombinasi, alam semesta yang kini berusia 13,8 miliar tahun tampak buram dan gelap. Hal ini karena dalam keadaan padat dan sangat panas, elektron bebas memantul tanpa henti di sekitar partikel cahaya, yang disebut foton.

Namun kemudian, selama masa rekombinasi, alam semesta mengembang dan mendingin hingga memungkinkan elektron bergabung dengan proton untuk membentuk atom hidrogen pertama, unsur paling ringan dan paling sederhana di alam semesta. Hilangnya elektron bebas ini berarti bahwa foton tiba-tiba bebas bergerak, dan sebagai hasilnya, “zaman kegelapan” alam semesta berakhir. Alam semesta tiba-tiba menjadi transparan terhadap cahaya. Kita dapat melihat “cahaya pertama” saat ini dalam bentuk fosil kosmik yang memenuhi alam semesta secara seragam yang disebut “latar belakang gelombang mikro kosmik” atau “CMB”.

Karena elektron dan proton mempunyai muatan listrik yang sama namun berlawanan, atom-atom pertama ini netral secara listrik, namun segera mengalami transformasi lain.

Setelah 400 juta tahun, bintang dan galaksi pertama terbentuk – kemudian selama era reionisasi, hidrogen netral, unsur utama di alam semesta, diubah menjadi partikel bermuatan. Partikel-partikel ini disebut ion. Ionisasi disebabkan oleh elektron yang menyerap foton dan meningkatkan energinya, melepaskan diri dari atom. Hingga saat ini, para ilmuwan belum yakin dari mana asal radiasi pengion tersebut.

Menunjukkan evolusi alam semesta dengan berakhirnya zaman kegelapan kosmik. (Kredit gambar: NASA)

Dugaan sumber radiasi di balik reionisasi ini termasuk lubang hitam supermasif yang memakan gas dari piringan akresi yang mengelilinginya – menyebabkan wilayah ini mengeluarkan radiasi energi tinggi – galaksi besar dengan massa melebihi 1 miliar matahari dan galaksi lebih kecil dengan massa kurang dari 1 miliar Matahari. ini. .

“Kami telah memperdebatkan masalah ini selama beberapa dekade, apakah itu lubang hitam masif atau galaksi masif. Bahkan ada penjelasan eksotik seperti penghancuran materi gelap yang menciptakan radiasi pengion,” kata Atek. “Salah satu kandidat terbaik adalah galaksi, dan sekarang kami menunjukkan bahwa kontribusi galaksi kecil sangatlah besar.

“Kami tidak mengira galaksi kecil akan seefisien itu dalam menghasilkan radiasi pengion. Jumlahnya empat kali lebih tinggi dari yang kami perkirakan, bahkan untuk galaksi berukuran normal.”

Mengidentifikasi galaksi katai yang lebih kecil sebagai sumber utama radiasi pengion telah lama menjadi tantangan karena galaksi tersebut redup.

“Sulit mendapatkan informasi dan pengamatan seperti ini, namun JWST memiliki kemampuan spektroskopi inframerah. Faktanya, salah satu alasan kami membangun JWST adalah untuk memahami apa yang terjadi selama zaman reionisasi,” kata Arek.

Bahkan dengan kekuatan pengamatan inframerah JWST yang mengesankan, pengamatan terhadap galaksi kerdil ini tidak akan mungkin terjadi tanpa bantuan Albert Einstein—lebih khusus lagi, tanpa bantuan teori relativitas umum yang ia buat pada tahun 1915 dan pengaruh teori tersebut terhadap cahaya.

Uluran tangan dari Albert Einstein

Relativitas umum menyatakan bahwa semua objek materi mendistorsi struktur ruang dan waktu, yang sebenarnya menyatu sebagai satu kesatuan yang disebut “ruang-waktu”. Persepsi kita tentang gravitasi, menurut teori tersebut, muncul sebagai akibat dari kelengkungan ini. Semakin besar massa suatu benda, maka semakin “ekstrim” kelengkungan ruang-waktunya. Jadi semakin kuat efek gravitasinya.

Lengkungan ini tidak hanya memberi tahu planet cara mengorbit bintang, dan pada gilirannya memberi tahu benda-benda bintang cara mengorbit lubang hitam supermasif di pusat galaksi asalnya, namun juga mengubah jalur cahaya yang datang dari bintang.

Cahaya dari sumber latar belakang dapat mengambil jalur berbeda di sekitar objek latar depan saat bergerak menuju Bumi, dan semakin dekat jalur tersebut ke objek bermassa tinggi, semakin “membungkuk”. Cahaya dari objek yang sama dapat tiba di Bumi pada waktu yang berbeda karena adanya objek di latar depan, atau “lensa”.

Diagram menunjukkan bagaimana cahaya dari objek latar belakang dilengkungkan oleh objek latar depan. (Kredit gambar: NASA, ESA & L. Calçada)

Lensa ini dapat menggeser letak objek latar belakang di langit, atau dapat menyebabkan objek latar belakang muncul di beberapa tempat pada gambar langit yang sama. Di lain waktu, cahaya dari objek latar belakang diperkuat, membuat objek tersebut tampak lebih besar di langit.

Efek ini dikenal sebagai “pelensaan gravitasi”, dan JWST menggunakannya dengan sangat efektif untuk mengamati galaksi-galaksi kuno menjelang fajar waktu yang tidak dapat dilihat oleh galaksi lain.

Untuk mengamati galaksi katai jauh dan awal yang baru dipelajari serta menganalisis cahaya yang dipancarkannya, JWST menggunakan gugus galaksi yang disebut Abell 2744 sebagai lensa gravitasi. “Bahkan untuk JWST, galaksi-galaksi kecil ini sangat redup, jadi kami perlu menambahkan lensa gravitasi untuk memperkuat fluks dari galaksi tersebut,” kata Atek.

Dengan potensi terpecahkannya misteri reionisasi, tim kini fokus untuk memperluas studi ini dalam skala yang lebih besar menggunakan proyek JWST lain yang disebut GLIMPSE. Para ilmuwan pertama-tama mencoba memastikan bahwa lokasi tertentu yang dipelajari dalam penelitian ini mewakili distribusi rata-rata galaksi di alam semesta.

Kemudian, selain mempelajari proses reionisasi, Atek dan rekannya akan fokus untuk lebih memahami pembentukan galaksi pertama, yang tumbuh menjadi galaksi masa kini selama 12 miliar tahun.

“Sejauh ini kami telah mempelajari sebagian besar galaksi terang dan masif, namun hal tersebut tidak terlalu khas di alam semesta awal,” Atek menyimpulkan. “Jadi jika kita ingin memahami pembentukan galaksi pertama, kita benar-benar perlu memahami pembentukan galaksi kecil bermassa rendah. Dan itulah yang akan kami coba lakukan dalam program mendatang.”

Penelitian tim tersebut dipublikasikan Rabu (28 Februari) di jurnal Nature.