Percobaan terbaru mendeteksi sinar pertama di alam semesta dan bisa mengubah pemahaman kita soal materi gelap

Impresi seniman bagaimana rupa bintang-bintang pertama di alam semesta. N.R.Fuller, National Science Foundation

Percobaan terbaru mendeteksi sinar pertama di alam semesta dan bisa mengubah pemahaman kita soal materi gelap

Peristiwa Big Bang mungkin terang benderang dan dramatis, tapi segera setelahnya alam semesta menjadi sangat gelap untuk waktu yang lama. Bahkan, para ilmuwan percaya, butuh waktu 200 juta tahun bagi bintang-bintang pertama untuk muncul dari sup materi yang gelap. Karena teleskop yang ada sekarang tidak cukup sensitif untuk mengamati cahaya dari bintang-bintang ini secara langsung, maka para astronom mencari bukti tidak langsung mengenai keberadaan mereka.

Kini, satu tim ilmuwan telah berhasil mengambil sinyal samar dari bintang-bintang tersebut dengan antena radio seukuran meja, yang disebut EDGES. Pengukuran impresif, yang membuka jendela baru ke alam semesta awal, menunjukkan bahwa bintang-bintang ini mulai muncul sekitar 180 juta tahun setelah Big Bang. Penemuan ini, yang dipublikasi di Nature, juga menunjukkan bahwa ilmuwan mungkin harus berpikir ulang mengenai terbuat dari apakah “materi gelap”—sejenis materi misterius yang tidak kelihatan.

Banyak model telah menunjukkan bahwa bintang-bintang pertama yang menerangi semesta itu berwarna biru dan usianya pendek, menghasilkan hujan cahaya ultraviolet. Sinyal paling awal yang bisa diamati dari fajar kosmik ini telah lama dianggap sebagai “sinyal penyerapan”—merosotnya kecemerlangan cahaya pada panjang gelombang tertentu—disebabkan oleh cahaya yang menerobos dan memengaruhi sifat fisik awan gas hidrogen, yang merupakan elemen paling banyak di alam semesta.

EDGES, spektrometer radio pada permukaan tanah, Observatorium Radio-astronomi Murchison milik CSIRO di Australia Barat. . CSIRO Australia

Kami tahu fenomena ini seharusnya ditemukan pada bagian gelombang radio dari spektrum elektromagnetik, pada panjang gelombang 21 cm.

Pengukuran yang menantang

Semua ini adalah hal yang diprediksi oleh teori. Namun dalam praktiknya, menemukan sinyal tersebut sangatlah menantang. Ini karena ia tumpang tindih dengan banyak sinyal lainnya pada wilayah spektrum ini, yang jauh lebih kuat—seperti frekuensi umum pada piringan radio FM dan gelombang radio dari peristiwa lain di galaksi kita. Alasan mengapa tim kami akhirnya berhasil, sebagian berkat alat penerima yang sensitif dan antena berukuran kecil, yang memungkinkan kita menjangkau area luas di langit dengan lebih mudah.

Untuk memastikan bahwa kemerosotan apa pun dalam kecemerlangan yang mereka temukan berasal dari semesta awal, tim melihat efek yang dikenal sebagai pergeseran Doppler—kita mengalaminya sebagai penurunan nada ketika sebuah sirene melaju dengan cepat. Demikian pula, seiring semua galaksi semakin menjauh dari kita akibat perluasan semesta, cahaya bergeser ke panjang gelombang yang lebih merah. Astronom menyebut efek ini “pergeseran merah”.

Lini masa semesta. N.R.Fuller, National Science Foundation

Pergeseran merah memberitahu ilmuwan berapa jauh awan gas tertentu dari Bumi dan seberapa jauh ke belakang dalam waktu kosmik, cahaya darinya dipancarkan. Dalam hal ini, pergeseran apa pun pada kemerosotan dalam kecemerlangan yang diharapkan pada panjang gelombang 21 cm akan memberikan indikasi mengenai bagaimana gas bergerak dan berapa jauh letaknya. Tim kami mengukur sebuah kemerosotan yang meliputi rentang waktu dalam kosmos—yang paling dramatis yakni kembali ke masa ketika semesta itu sendiri baru berusia 180 juta tahun, dibandingkan dengan usianya sekarang 13,9 miliar cahaya. Ini adalah cahaya dari bintang-bintang pertama.

Putaran tajam materi gelap

Cerita ini tidak berakhir di sana. Tim kami terkejut saat menemukan bahwa amplitudo sinyal lebih besar dua kali lipat daripada yang diperkirakan. Ini menunjukkan bahwa gas hidrogen jauh lebih dingin daripada yang diharapkan dari radiasi latar belakang.

Temuan ini, dipublikasi dalam makalah lain di Nature, telah menghancurkan karya ahli fisika teoritis. Ini karena para ahli fisika mengemukakan bahwa pada saat ini di alam semesta, sangat mudah untuk memanaskan gas, tapi sulit untuk mendinginkannya. Untuk menghasilkan pendinginan ekstra yang dibutuhkan untuk menjelaskan sinyal, para penulis studi itu berpendapat bahwa gas pasti telah berinteraksi dengan sesuatu yang lebih dingin lagi. Dan satu-satunya hal yang diketahui dalam semesta awal memiliki suhu lebih dingin daripada gas kosmik ini adalah materi gelap. Faktanya, para teoretikus sekarang harus memutuskan apakah mereka sebaiknya memperluas model standar kosmologi dan fisika partikel untuk menjelaskan efek ini.

Kita tahu bahwa materi gelap lima kali lebih jamak ketimbang materi normal, tapi kita belum tahu materi gelap terbuat dari apa. Beberapa pilihan untuk partikel yang bisa membentuk materi gelap telah diajukan, dengan kandidat favorit adalah Weakly Interacting Massive Particle (WIMP).

Namun demikian, riset baru menunjukkan bahwa partikel materi gelap tidak akan lebih berat daripada proton (yang membentuk nukleus atom bersama dengan neutron). Ini jauh di bawah massa yang diprediksi untuk WIMP. Analisis juga menunjukkan bahwa materi gelap lebih dingin daripada yang diduga. Ini membuka kesempatan untuk menggunakan “kosmologi 21 cm” sebagai satelit materi gelap baru di alam semesta. Jika kita menggunakan penerima yang lebih sensitif dan mengatasi gangguan radio terrestrial dengan menempatkan sebuah interferometer pada sisi gelap bulan ada kemungkinan kita bisa menyingkap lebih banyak pengetahuan mengenai sifat materi gelap, bahkan mungkin menyelidiki kecepatannya bergerak.

Hal ini datang di saat yang tepat bagi astronom radio, yang tengah mengembangkan jaringan raksasa teleskop radio atau interferometer generasi selanjutnya di Australia dan Afrika Selatan yang disebut Square Kilometre Array, serta percobaan mutakhir lainnya yang didedikasikan untuk mempelajari fajar kosmik. Ini adalah saat yang menggairahkan bagi ilmuwan.

This article was originally published in English

Become a friend of The Conversation with a tax-deductible contribution today.