“Mercusuar Kosmik” – Webb mengungkap rahasia cahaya pertama alam semesta

Pengamatan yang dilakukan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb yang dirintis mengungkap peran penting galaksi bermassa rendah dalam reionisasi alam semesta awal, menantang teori evolusi kosmik yang ada.

Para ilmuwan yang bekerja dengan data dari James Webb Space Telescope (JWST) milik NASA telah memperoleh spektrum lengkap pertama dari beberapa cahaya bintang tertua di alam semesta. Gambar-gambar tersebut memberikan gambaran paling jelas tentang galaksi-galaksi baru bermassa sangat rendah, yang terbentuk kurang dari satu miliar tahun setelah Big Bang, dan menunjukkan bahwa galaksi-galaksi muda memiliki peran sentral dalam kisah asal usul kosmik.

Tim peneliti internasional, termasuk dua ahli astrofisika Penn State, baru-baru ini mempublikasikan temuan mereka di jurnal alam. Spektrum tersebut mengungkap beberapa cahaya tampak pertama dari periode di alam semesta yang dikenal sebagai reionisasi, yang dipicu oleh kedatangan bintang dan galaksi pertama.

Gambar-gambar jarak jauh yang diambil oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA telah memberikan gambaran sekilas pertama tentang galaksi-galaksi yang sangat redup yang telah diidentifikasi oleh para peneliti sebagai kandidat kuat untuk objek-objek yang memicu reionisasi alam semesta. Sumber gambar: Hakim Atiq/Universitas Sorbonne/JWST

Alam Semesta Primordial: Transisi dari Kegelapan ke Terang

Materi normal di alam semesta dimulai sebagai kabut panas dan tebal yang hampir seluruhnya terdiri dari inti hidrogen dan helium, jelas Joel Lyga, asisten profesor astronomi dan astrofisika di Penn State dan penulis makalah tersebut. Saat ia mengembang dan mendingin, masing-masing proton dan elektron mulai berikatan, membentuk hidrogen netral untuk pertama kalinya. Sekitar 500 hingga 900 juta tahun kemudian ledakan besar ituHidrogen netral – yang terdapat pada masa awal alam semesta – mulai terpisah kembali menjadi gas terionisasi, merangsang pembentukan bintang dan galaksi serta mengangkat kabut primordial sehingga cahaya dapat bergerak tanpa hambatan melintasi alam semesta untuk pertama kalinya.

“Sesuatu telah dipicu dan mulai memompa foton berenergi sangat tinggi ke dalam ruang antar galaksi,” kata Lyga. “Sumber-sumber ini bertindak seperti suar kosmik yang membakar kabut hidrogen netral. Apa pun sumbernya, ia sangat energik dan persisten sehingga seluruh alam semesta kembali terionisasi.”

Pelopor galaksi: peran galaksi bermassa rendah

Dengan menganalisis spektrum galaksi-galaksi kecil dan bermassa rendah, para ilmuwan menunjukkan bahwa galaksi-galaksi kecil adalah kandidat kuat untuk “benda” yang mengionisasi ulang alam semesta dengan memanaskan gas purba padat di sekitar mereka dan mengionisasi hidrogen yang sebelumnya netral.

“Jika galaksi-galaksi bermassa rendah lainnya di alam semesta sama umum dan semaraknya dengan galaksi-galaksi ini, maka kita pikir kita akhirnya sampai pada titik api yang membakar kabut kosmik,” kata Lyga. “Mereka adalah bintang yang sangat aktif di banyak galaksi kecil.”

Leija menambahkan bahwa sebagian besar galaksi di alam semesta awal diperkirakan berukuran relatif kecil, sehingga mempelajari frekuensi dan sifat-sifatnya menjadi sangat sulit. Berkat terobosan teknologi yang dimungkinkan oleh kombinasi unik sensitivitas Teleskop Luar Angkasa James Webb dan efek pelensaan gravitasi dari gugus Abell 2744 — galaksi terdekat yang bertindak seperti kaca pembesar kosmik, mendistorsi ruang, dan memperkuat cahaya galaksi latar belakang — hal ini Saat ini dimungkinkan untuk menentukan kelimpahan galaksi-galaksi kecil dan sifat ionisasinya selama satu miliar tahun, yang merupakan pertama kalinya terjadi di alam semesta.

“Kami menemukan bahwa jumlah galaksi kecil melebihi galaksi besar sekitar seratus berbanding satu selama masa reionisasi alam semesta ini,” Hakim Atiq, ahli astrofisika di Universitas Sorbonne, peneliti di Institut Astrofisika Paris dan penulis pertama makalah tersebut, mengatakan dalam siaran pers. “Pengamatan baru ini juga mengungkapkan bahwa galaksi-galaksi kecil ini menghasilkan foton pengion dalam jumlah besar, melebihi empat kali lipat nilai fundamental yang biasanya diasumsikan untuk galaksi jauh. Artinya, total fluks foton pengion yang dipancarkan galaksi-galaksi ini jauh melebihi ambang batas yang disyaratkan.” untuk reionisasi.”

Memetakan evolusi kosmik: arah masa depan

Tim Penn State memimpin pemodelan survei UNCOVER, yang menargetkan gugus galaksi besar di latar depan yang menggambarkan galaksi-galaksi yang lebih kecil dan lebih jauh. Para peneliti di Penn State menganalisis semua titik cahaya kecil dalam pemindaian untuk memahami sifat-sifat objek serta massa dan kemungkinan jaraknya. Analisis ini kemudian digunakan untuk memandu pengamatan JWST yang lebih rinci yang mengarah pada penemuan ini, jelas Lija.

Sebelum hasil ini, ada sejumlah hipotesis yang mengidentifikasi sumber lain yang bertanggung jawab atas reionisasi kosmik, seperti lubang hitam supermasif; Galaksi besar dengan massa lebih dari satu miliar massa matahari; Dan galaksi-galaksi kecil dengan massa kurang dari satu miliar massa matahari. Para peneliti mengatakan bahwa mengkonfirmasi hipotesis mengenai galaksi bermassa rendah terbukti sangat sulit, mengingat kecerahannya yang rendah, namun hasil baru ini memberikan bukti paling jelas bahwa galaksi bermassa rendah memainkan peran penting dalam reionisasi alam semesta.

Para peneliti kini ingin memperluas penelitiannya ke skala yang lebih besar untuk memastikan bahwa lokasi spesifik yang mereka analisis mewakili distribusi rata-rata galaksi di alam semesta. Di luar proses reionisasi, pengamatan mereka memberikan wawasan tentang proses awal pembentukan bintang, bagaimana galaksi muncul dari gas purba, dan bagaimana mereka berevolusi menjadi alam semesta yang kita kenal sekarang.

Referensi: “Sebagian besar foton yang mengionisasi alam semesta berasal dari galaksi katai” oleh Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Hijau, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich, dan Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara, dan Daniel B. Stark, Mauro Stefanone, dan Katherine A. Suss, Bingjie Wang, dan Catherine E. Whitaker, 28 Februari 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, seorang peneliti postdoctoral di bidang astrofisika, adalah rekan penulis studi lainnya dari Penn State. Daftar lengkap penulis dan institusinya tersedia di makalah yang diterbitkan. Para peneliti mengakui pendanaan dan dukungan dari Pusat Studi Luar Angkasa Nasional Perancis, Program Nasional untuk Kosmologi dan Galaksi, CEA, Cosmic Dawn Centre, Yayasan Penelitian Nasional Denmark, Dewan Penelitian Australia, SEKARANG, Program Rosalind Franklin dari Dana Bersama Komisi Eropa dan Universitas Groningen. Yayasan Sains Nasional AS-Israel, Yayasan Sains Nasional AS (NSF), Kementerian Sains dan Teknologi, Israel dan NOIRLabDikelola oleh Konsorsium Universitas Penelitian Astronomi berdasarkan perjanjian kerja sama dengan NSF.