World

Para peneliti menunjukkan akhir dari ‘fajar kosmik’, zaman reionisasi


Para peneliti menunjukkan akhir dari "fajar kosmik," zaman reionisasi

Representasi skematis dari pandangan ke dalam sejarah kosmik yang disediakan oleh cahaya terang dari quasar jauh. Mengamati dengan teleskop (kiri bawah) memungkinkan kita memperoleh informasi tentang apa yang disebut zaman reionisasi (“gelembung” kanan atas) yang mengikuti fase Big Bang (kanan atas). Kredit: Carnegie Institution for Science / MPIA (anotasi)

Sekelompok astronom yang dipimpin oleh Sarah Bosman dari Institut Max Planck untuk Astronomi telah menentukan waktu akhir zaman reionisasi gas hidrogen netral hingga sekitar 1,1 miliar tahun setelah Big Bang. Reionisasi dimulai ketika generasi pertama bintang terbentuk setelah “zaman kegelapan” kosmik, periode panjang ketika gas netral saja memenuhi alam semesta tanpa sumber cahaya. Hasil baru menyelesaikan perdebatan yang berlangsung selama dua dekade dan mengikuti tanda radiasi dari 67 quasar dengan jejak gas hidrogen yang dilalui cahaya sebelum mencapai Bumi. Menentukan akhir dari “fajar kosmik” ini akan membantu mengidentifikasi sumber pengion: bintang dan galaksi pertama.

Alam semesta telah mengalami fase yang berbeda dari awal hingga kondisinya saat ini. Selama 380.000 tahun pertama setelah Big Bang, itu adalah plasma terionisasi yang panas dan padat. Setelah periode ini, ia mendingin cukup untuk proton dan elektron yang memenuhi alam semesta untuk bergabung menjadi atom hidrogen netral. Sebagian besar selama “zaman kegelapan” ini, alam semesta tidak memiliki sumber cahaya tampak. Dengan munculnya bintang-bintang dan galaksi-galaksi pertama kira-kira 100 juta tahun kemudian, gas itu berangsur-angsur menjadi terionisasi oleh radiasi ultra-violet (UV) bintang-bintang itu lagi. Proses ini memisahkan elektron dari proton, meninggalkan mereka sebagai partikel bebas. Era ini umumnya dikenal sebagai “fajar kosmik.” Saat ini, semua hidrogen yang tersebar di antara galaksi, gas intergalaksi, sepenuhnya terionisasi. Namun, ketika itu terjadi adalah topik yang banyak dibahas di kalangan ilmuwan dan bidang penelitian yang sangat kompetitif.

Akhir dari fajar kosmik

Sebuah tim astronom internasional yang dipimpin oleh Sarah Bosman dari Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, Jerman, kini telah tepat menentukan waktu akhir zaman reionisasi hingga 1,1 miliar tahun setelah Big Bang. “Saya terpesona oleh gagasan tentang fase-fase berbeda yang dilalui alam semesta yang mengarah pada pembentukan Matahari dan Bumi. Merupakan suatu kehormatan besar untuk menyumbangkan sepotong kecil baru bagi pengetahuan kita tentang sejarah kosmik,” kata Sarah Bosman. Dia adalah penulis utama artikel penelitian yang muncul di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society hari ini.

Frederick Davies, juga seorang astronom MPIA dan rekan penulis makalah ini, berkomentar, “Sampai beberapa tahun yang lalu, kebijaksanaan yang berlaku adalah bahwa reionisasi selesai hampir 200 juta tahun sebelumnya. Di sini kita sekarang memiliki bukti terkuat bahwa prosesnya berakhir jauh. kemudian, selama zaman kosmik lebih mudah diamati oleh fasilitas pengamatan generasi sekarang.” Koreksi kali ini mungkin tampak marjinal mengingat miliaran tahun sejak Big Bang. Namun, beberapa ratus juta tahun lagi sudah cukup untuk menghasilkan beberapa lusin generasi bintang dalam evolusi kosmik awal. Waktu era “fajar kosmik” membatasi sifat dan masa hidup sumber pengion yang ada selama ratusan juta tahun itu berlangsung.

Pendekatan tidak langsung ini saat ini merupakan satu-satunya cara untuk mengkarakterisasi objek yang mendorong proses reionisasi. Mengamati bintang dan galaksi pertama secara langsung berada di luar kemampuan teleskop kontemporer. Mereka terlalu lemah untuk mendapatkan data yang berguna dalam waktu yang wajar. Bahkan fasilitas generasi berikutnya seperti Teleskop Sangat Besar (ELT) ESO atau Teleskop Luar Angkasa James Webb mungkin kesulitan dengan tugas seperti itu.

Quasar sebagai probe kosmik

Untuk menyelidiki kapan alam semesta sepenuhnya terionisasi, para ilmuwan menerapkan metode yang berbeda. Salah satunya adalah mengukur emisi gas hidrogen netral pada garis spektral 21 sentimeter yang terkenal. Sebaliknya, Sarah Bosman dan rekan-rekannya menganalisis cahaya yang diterima dari sumber latar belakang yang kuat. Mereka menggunakan 67 quasar, piringan terang dari gas panas yang mengelilingi pusat lubang hitam besar di galaksi aktif yang jauh. Melihat spektrum quasar, yang memvisualisasikan intensitasnya di sepanjang panjang gelombang yang diamati, para astronom menemukan pola di mana cahaya tampaknya hilang. Itulah yang disebut para ilmuwan sebagai garis absorpsi. Gas hidrogen netral menyerap bagian cahaya ini sepanjang perjalanannya dari sumber ke teleskop. Spektrum dari 67 quasar tersebut memiliki kualitas yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang sangat penting untuk keberhasilan penelitian ini.

Para peneliti menunjukkan akhir dari "fajar kosmik," zaman reionisasi

Dari Bumi, kita selalu melihat ke masa lalu kosmos. Cahaya dari quasar jauh dari alam semesta awal melewati gas yang sudah terionisasi sebagian dari zaman reionisasi, yang diatur di sekitar galaksi awal. Gas hidrogen netral di antara galaksi-galaksi menghasilkan tanda-tanda penyerapan. Karena perluasan alam semesta, garis-garis absorpsi tampak bergeser merah secara berbeda dari kisaran UV. Kredit: departemen grafis MPIA

Metode ini melibatkan melihat garis spektral yang setara dengan panjang gelombang 121,6 nanometer. Panjang gelombang ini termasuk dalam rentang UV dan merupakan garis spektral hidrogen terkuat. Namun, ekspansi kosmik menggeser spektrum quasar ke panjang gelombang yang lebih panjang semakin jauh perjalanan cahaya. Oleh karena itu, pergeseran merah dari garis serapan UV yang diamati dapat diterjemahkan ke dalam jarak dari Bumi. Dalam penelitian ini, efeknya telah memindahkan garis UV ke kisaran inframerah saat mencapai teleskop.

Tergantung pada fraksi antara gas hidrogen netral dan terionisasi, tingkat penyerapan, atau sebaliknya, transmisi melalui awan seperti itu, mencapai nilai tertentu. Ketika cahaya bertemu daerah dengan fraksi gas terionisasi yang tinggi, ia tidak dapat menyerap radiasi UV secara efisien. Properti inilah yang dicari oleh tim.

Cahaya quasar melewati banyak awan hidrogen pada jarak yang berbeda di jalurnya, masing-masing meninggalkan jejaknya pada pergeseran merah yang lebih kecil dari kisaran UV. Secara teori, menganalisis perubahan transmisi per saluran yang digeser merah harus menghasilkan waktu atau jarak di mana gas hidrogen terionisasi penuh.

Model membantu menguraikan pengaruh yang bersaing

Sayangnya, situasinya bahkan lebih rumit. Sejak akhir reionisasi, hanya ruang intergalaksi yang terionisasi penuh. Ada jaringan materi sebagian netral yang menghubungkan galaksi dan gugus galaksi, yang disebut “jaring kosmik”. Di mana gas hidrogen netral, ia meninggalkan jejaknya di cahaya quasar juga.

Untuk mengurai pengaruh ini, tim menerapkan model fisik yang mereproduksi variasi yang diukur di zaman yang jauh lebih baru ketika gas intergalaksi sudah sepenuhnya terionisasi. Ketika mereka membandingkan model dengan hasil mereka, mereka menemukan penyimpangan pada panjang gelombang di mana garis 121,6 nanometer digeser oleh faktor 5,3 kali sesuai dengan usia kosmik 1,1 miliar tahun. Transisi ini menunjukkan waktu ketika perubahan cahaya quasar yang diukur menjadi tidak konsisten dengan fluktuasi dari jaring kosmik saja. Oleh karena itu, itu adalah periode terakhir ketika gas hidrogen netral pasti ada di ruang intergalaksi dan kemudian menjadi terionisasi. Itu adalah akhir dari “fajar kosmik”.

Masa depan cerah

“Dataset baru ini memberikan tolok ukur penting terhadap simulasi numerik miliaran tahun pertama alam semesta yang akan diuji untuk tahun-tahun mendatang,” kata Frederick Davies. Mereka akan membantu mengkarakterisasi sumber pengion, generasi pertama bintang.

“Arah masa depan yang paling menarik untuk pekerjaan kami adalah memperluasnya ke waktu yang lebih awal, menuju titik tengah proses reionisasi,” Sarah Bosman menunjukkan. “Sayangnya, jarak yang lebih jauh berarti bahwa quasar sebelumnya secara signifikan lebih redup. Oleh karena itu, area pengumpulan teleskop generasi berikutnya yang diperluas seperti ELT akan menjadi sangat penting.”


Penemuan galaksi bercahaya yang mengionisasi ulang medium intergalaksi lokal 13 miliar tahun yang lalu


Informasi lebih lanjut:
Sarah EI Bosman et al, Reionisasi hidrogen berakhir dengan z = 5,3: Kedalaman optik Lyman-α diukur dengan sampel XQR-30, Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society (2022). DOI: 10.1093/mnras/stac1046

Disediakan oleh Max Planck Society

Kutipan: Para peneliti menunjukkan akhir dari ‘fajar kosmik’, zaman reionisasi (2022, 8 Juni) diambil 12 Juni 2022 dari

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Terlepas dari kesepakatan yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.



Artikel ini pertama kali tayang di situs phys.org

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button