Penggabungan Galaksi Menerangi Misteri Alam Semesta Awal

Salah satu misi utama NASA/ESA/CSA Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah menyelidiki alam semesta awal. Kini, resolusi dan sensitivitas instrumen NIRCam Webb yang tak tertandingi telah mengungkap, untuk pertama kalinya, apa yang ada di lingkungan lokal galaksi di awal alam semesta.

Hal ini telah memecahkan salah satu misteri paling membingungkan dalam astronomi – mengapa para astronom mendeteksi cahaya dari atom hidrogen yang seharusnya terhalang sepenuhnya oleh gas murni yang terbentuk setelahnya. Dentuman Besar.

Memecahkan Misteri Astronomi

Pengamatan terbaru Webb ini telah menemukan benda-benda kecil dan redup di sekitar galaksi yang menunjukkan emisi hidrogen yang 'tidak dapat dijelaskan'. Sehubungan dengan simulasi canggih galaksi-galaksi di alam semesta awal, pengamatan telah menunjukkan bahwa penggabungan galaksi-galaksi tetangga yang kacau adalah sumber emisi hidrogen ini.

Cahaya bergerak dengan kecepatan terbatas (300.000 km per detik), yang berarti semakin jauh suatu galaksi, semakin lama waktu yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai Tata Surya kita. Hasilnya, pengamatan terhadap galaksi terjauh tidak hanya menyelidiki jangkauan terjauh Alam Semesta, namun juga memungkinkan kita mempelajari Alam Semesta seperti di masa lalu.

Kemampuan Webb dan Pengamatan Galaksi Awal

Untuk mempelajari alam semesta awal, para astronom memerlukan teleskop yang sangat kuat yang mampu mengamati galaksi yang sangat jauh – dan karenanya sangat redup –. Salah satu kemampuan utama Webb adalah kemampuannya mengamati galaksi yang sangat jauh, dan dengan demikian menyelidiki sejarah awal alam semesta. Sebuah tim astronom internasional telah memanfaatkan kemampuan luar biasa Webb untuk memecahkan misteri lama dalam astronomi.

Galaksi paling awal adalah tempat pembentukan bintang yang kuat dan aktif, sehingga kaya akan sumber cahaya yang dipancarkan oleh atom hidrogen yang disebut emisi Lyman-α.⁽¹⁾

Namun pada era reionisasi⁽²⁾ Gas hidrogen netral dalam jumlah besar mengelilingi area pembentukan bintang aktif (juga dikenal sebagai pembibitan bintang). Selain itu, ruang antargalaksi dipenuhi dengan lebih banyak gas netral dibandingkan saat ini. Gas tersebut dapat dengan sangat efektif menyerap dan menyebarkan emisi hidrogen semacam ini,⁽³⁾ sehingga para astronom telah lama memperkirakan bahwa emisi Lyman-α melimpah yang dilepaskan di alam semesta awal tidak dapat diamati saat ini.

Namun, teori ini tidak selalu berlaku, karena contoh awal emisi hidrogen telah diamati sebelumnya oleh para astronom. Hal ini menimbulkan misteri: bagaimana emisi hidrogen – yang telah lama diserap atau tersebar – dapat diamati? Peneliti di Universitas Cambridge dan peneliti utama studi baru Callum Witten menguraikan:

“Salah satu masalah paling membingungkan yang muncul dari pengamatan sebelumnya adalah deteksi cahaya dari atom hidrogen di alam semesta awal, yang mungkin terhalang sepenuhnya oleh gas netral murni yang terbentuk setelah Big Bang. Banyak hipotesis yang telah dikemukakan sebelumnya untuk menjelaskan hilangnya emisi yang 'tidak dapat dijelaskan' ini.”

Gambar ini menunjukkan galaksi EGSY8p7, sebuah galaksi terang di alam semesta awal di mana emisi cahaya tampak mencakup, antara lain, atom hidrogen yang tereksitasi – emisi Lyman-α. Sensitivitas Webb yang tinggi mendeteksi galaksi jauh ini beserta dua galaksi pendampingnya, dimana pengamatan sebelumnya hanya melihat satu galaksi yang lebih besar di tempatnya. Kredit: ESA/Webb, NASA & CSA, C. Witten, M. Zamani (ESA/Webb)

Penggabungan Galaksi dan Emisi Hidrogen

Terobosan tim ini terjadi berkat kombinasi resolusi sudut dan sensitivitas Webb yang luar biasa. Pengamatan dengan instrumen NIRCam Webb mampu mengungkap galaksi yang lebih kecil dan redup di sekitar galaksi terang tempat terdeteksinya emisi hidrogen yang 'tidak dapat dijelaskan'. Dengan kata lain, lingkungan di sekitar galaksi-galaksi ini tampaknya merupakan tempat yang jauh lebih sibuk daripada yang kita duga sebelumnya, karena dipenuhi oleh galaksi-galaksi kecil dan redup. Yang terpenting, galaksi-galaksi kecil ini berinteraksi dan bergabung satu sama lain, dan Webb telah mengungkapkan bahwa penggabungan galaksi memainkan peran penting dalam menjelaskan misteri emisi dari galaksi-galaksi paling awal. Sergio Martin-Alvarez, anggota tim dari Universitas Stanford, menambahkan:

“Jika Hubble hanya melihat satu galaksi besar, Webb melihat sekelompok galaksi kecil yang saling berinteraksi, dan penemuan ini berdampak besar pada pemahaman kita tentang emisi hidrogen yang tidak terduga dari beberapa galaksi pertama.”

Simulasi Azahar yang ditampilkan dalam video ini merupakan hasil kolaborasi antara Stanford University dan University of Cambridge, yang diproduksi pada superkomputer Cosma dari fasilitas DIRAC HPC Inggris. Kredit: S.Martin-Alvarez

Tim kemudian menggunakan simulasi komputer tingkat lanjut (contohnya ditunjukkan dalam video di atas) untuk mengeksplorasi proses fisik yang mungkin menjelaskan hasilnya. Mereka menemukan bahwa penumpukan massa bintang yang cepat melalui penggabungan galaksi mendorong emisi hidrogen yang kuat dan memfasilitasi pelepasan radiasi tersebut melalui saluran yang dibersihkan dari gas netral yang melimpah. Jadi, tingginya tingkat penggabungan galaksi-galaksi kecil yang sebelumnya tidak teramati memberikan solusi menarik terhadap teka-teki lama mengenai emisi hidrogen awal yang 'tidak dapat dijelaskan'.

Penelitian Masa Depan dan Pemahaman Evolusi Galaksi

Tim merencanakan pengamatan lanjutan terhadap galaksi-galaksi pada berbagai tahap penggabungan, untuk terus mengembangkan pemahaman mereka tentang bagaimana emisi hidrogen dihasilkan dari sistem yang berubah ini. Pada akhirnya, hal ini akan memungkinkan mereka meningkatkan pemahaman kita tentang evolusi galaksi.

Temuan ini dipublikasikan pada 18 Januari di Astronomi Alam.

Catatan

1. Emisi Lyman-α adalah cahaya yang dipancarkan pada panjang gelombang 121,567 nanometer ketika elektron dalam hidrogen tereksitasi atom turun dari keadaan tereksitasi pada orbital n = 2 ke keadaan dasar n = 1 (keadaan energi terendah yang dimiliki suatu atom). Fisika kuantum menyatakan bahwa elektron hanya dapat berada pada keadaan energi yang sangat spesifik, dan ini berarti bahwa transisi energi tertentu – misalnya ketika elektron dalam atom hidrogen turun dari orbital n=2 ke n=1 – dapat diidentifikasi berdasarkan panjang gelombang elektron. . cahaya yang dipancarkan selama transisi itu. Emisi Lyman-α penting dalam banyak cabang astronomi, sebagian karena banyaknya hidrogen di alam semesta, dan juga karena hidrogen biasanya tereksitasi oleh proses energik seperti pembentukan bintang aktif yang sedang berlangsung. Oleh karena itu, emisi Lyman-α dapat digunakan sebagai tanda sedang berlangsungnya pembentukan bintang aktif.
2. Zaman reionisasi merupakan tahapan paling awal dalam sejarah Alam Semesta yang terjadi setelah rekombinasi (tahap pertama setelah Big Bang). Selama rekombinasi, alam semesta cukup dingin sehingga elektron dan proton mulai bergabung membentuk atom hidrogen netral. Selama reionisasi, awan gas yang lebih padat mulai terbentuk, menciptakan bintang-bintang dan akhirnya seluruh galaksi yang cahayanya secara bertahap mengionisasi ulang gas hidrogen.
3. Gas hidrogen netral terbuat dari atom hidrogen pada tingkat energi terendah, masing-masing dengan elektronnya pada orbital n = 1. Karena cahaya yang dipancarkan atom hidrogen selama emisi Lyman-α membawa energi transisi atom dari n = 2 ke n = 1, maka ketika mengenai atom hidrogen netral, ia mempunyai jumlah energi yang tepat untuk mengionisasi atom dan membawa energi tersebut. elektronnya ke orbital berikutnya yang tersedia. Artinya, gas netral menyerap dan memblokir emisi Lyman-α dengan sangat mudah.

Referensi: “Menguraikan emisi Lyman-α jauh ke dalam zaman reionisasi” oleh Callum Witten, Nicolas Laporte, Sergio Martin-Alvarez, Deborah Sijacki, Yuxuan Yuan, Martin G. Haehnelt, William M. Baker, James S. Dunlop, Richard S Baker 18. Ellis, Norman A. Grogin, Garth Illingworth, Harley Katz, Anton M. Koekemoer, Daniel Magee, Robert Maiolino, William McClymont, Paul G. Perez-Gonzalez, David Puskas, Guido Roberts-Borsani, Paola Santini dan Charlotte Simmonds Januari 2024, Astronomi Alam.
DOI: 10.1038/s41550-023-02179-3

Informasi lebih lanjut

Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah teleskop terbesar dan terkuat yang pernah diluncurkan ke luar angkasa. Berdasarkan perjanjian kolaborasi internasional, ESA menyediakan layanan peluncuran teleskop menggunakan kendaraan peluncuran Ariane 5. Bekerja sama dengan mitra, ESA bertanggung jawab atas pengembangan dan kualifikasi adaptasi Ariane 5 untuk misi Webb dan pengadaan layanan peluncuran oleh Arianespace. ESA juga menyediakan NIRSpec workhorse spectrograph dan 50% instrumen mid-infrared MIRI, yang dirancang dan dibangun oleh konsorsium European Institutes (European MIRI Consortium) yang didanai secara nasional dalam kemitraan dengan JPL dan Universitas Arizona.

Webb adalah kemitraan internasional antara NASA, ESA, dan Badan Antariksa Kanada (CSA).