Sidik Jari Bintang Pertama Sebagai Penanda Fajar Kosmis

Sinyal radio lemah dari alam semesta membawa informasi awal fajar kosmis yang dimulai 180 juta tahun setelah Dentuman Besar.Tak hanya itu. Penemuan ini juga membawa jejak lain tentang materi gelap yang misterius itu. Partikel materi gelap yang mendominasi alam semesta bisa jadi jauh lebih ringan dari yang diduga oleh para fisikawan.

Ilustrasi bintang pertama yang jadi penanda dimulainya fajar kosmis alam semesta. Kredit: N.R.Fuller, National Science Foundation
Ilustrasi bintang pertama yang jadi penanda dimulainya fajar kosmis alam semesta. Kredit: N.R.Fuller, National Science Foundation

Seluruh informasi ini datang dari sinyal radio yang diterima antena radio Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES) di Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO), Australia Barat. Antena radio yang hanya seukuran meja itu memang dibuat untuk mendeteksi jejak penyerapan radiasi latar belakang oleh atom hidrogen pada alam semesta dini.

Atau lebih tepatnya, para ilmuwan ini ingin tahu kapan alam semesta menyongsong fajar kosmis atau ke luar dari zaman kegelapan. Untuk mengetahui informasi ini, tentu kita harus menelusuri kembali waktu untuk menjejak masa lalu alam semesta. Bukan perkara mudah apalagi alam semesta kita usianya 13,7 miliar tahun.

Hasil teori dan pemodelan yang dibangun para astronom memberi indikasi kalau fajar kosmis terjadi “tidak lama” setelah Dentuman Besar yang menjadi awal alam semesta. Tapi tidak ada bukti yang bisa memperkuat ide tersebut.

Sekilas Cerita Alam Semesta Dini

Menelusuri kembali ke masa lalu, alam semesta dimulai dengan peristiwa yang dikenal sebagai Big Bang atau Dentuman Besar. Ini bukan sebuah ledakan melainkan titik singularitas super panas dan padat yang jadi titik awal pemuaian semesta.

Setelah dentuman besar, alam semesta yang usianya belum sampai sedetik (10-43 detik) itu mengalami inflasi atau pemuaian secara eksponensial yang sangat cepat. Pemuaian terjadi dalam waktu singkat bahkan lebih singkat dari satu kedipan mata. Saat itu alam semesta yang sangat kecil memuai jadi sekitar 90 kali lebih besar. Sejak itu, alam semesta terus memuai dengan laju yang lambat hingga menjadi alam semesta yang kita kenal sekarang.

Alam semesta yang tadinya bak sup partikel panas itu akhirnya mendingin dan materi mulai terbentuk. Kala itu belum ada bintang. Setelah beberapa ratus juta tahun, materi yang sudah cukup dingin membentuk hidrogen netral dan alam semesta pun memasuki zaman kegelapan. Pada masa ini, cahaya untuk pertama kalinya bisa mulai bergerak bebas dan dilepaskan dalam bentuk radiasi latar belakang.

Setelah itu masa pembentukan bintang pun dimulai.

Gaya gravitasi menarik gas padat untuk bergabung sampai suatu ketika, terjadi keruntuhan dan terbentuklah bintang yang luar biasa masif dan panas tapi hidupnya sangat singkat. Bintang ini kita kenal sebagai bintang katai biru.  Pada akhirnya, cahaya pun bisa menerangi alam semesta dan radiasi ultraungu mengeksitasi gas hidrogen yang ada di sekelilingnya. Akibatnya terjadilah penyerapan radiasi latar belakang oleh gas hidrogen.

Kapan ini terjadi? Informasi yang kita terima dari radiasi latar belakang hanya bisa bercerita sampai masa 380 juta tahun setelah Dentuman Besar. Dengan demikian, diduga fajar kosmis terjadi sekitar 400 juta tahun setelah alam semesta terbentuk. Ini didukung data pengamatan bintang tertua yang berhasil diamati.

Tapi apakah demikian?

Cerita dari Gelombang Radio

Lini masa alam semesta sejak terbentuk. Kredit: N.R.Fuller, National Science Foundation
Lini masa alam semesta sejak terbentuk. Kredit: N.R.Fuller, National Science Foundation

Untuk bisa memperoleh data pengamatan bintang-bintang tertua tentu tidak mudah. Semakin tua alam semesta, makin sedikit pula bintang yang bisa ditemukan. Bahkan sampai sekitar 500 juta tahun setelah Dentuman Besar, alam semesta masih dipenuhi atom hidrogen netral yang sangat pandai menghalangi cahaya.

Tapi, para astronom menduga ada sidik jari yang tersisa dari masa ketika gas hidrogen menyerap radiasi latar belakang, yang sekaligus menjadi jejak fajar kosmis. Yang dicari adalah penurunan kecerlangan pada spektrum radiasi latar belakang yang cukup tajam dan bisa dikenali.

Tapi jelas tidak mudah. Sinyal yang dicari bisa jadi sudah terkontaminasi sinyal lain yang sumbernya lokal seperti sinyal radio FM atau derau dari sinyal radio yang datang dari Bima Sakti. Derau yang dihasilkan bisa 10000 kali lebih terang dari sinyal yang dicari!

Masalah lain, alam semesta memuai dan galaksi-galaksi jauh bergerak semakin menjauh. Spektrum yang diterima bisa jadi sudah mengalami pergeseran merah dari panjang gelombang awalnya.

Maka, pencarian pun dilakukan dalam panjang gelombang radio dengan antena radio EDGES yang di area sepi di Australia Barat. Yang dicari adalah sinyal serapan atau sinyal pancaran radiasi paling lemah dari awan gas pada panjang gelombang 21 cm. Sinyal radio yang dicari ini mengandung derau hanya 0,01%.

Jelasnya para astronom sedang mencari jarum di tumpukan jerami. Hampir mustahil tapi bukan tidak mungkin.

Voila! Sinyal radio dari bintang pertama itu pun berhasil diterima dan sinyal serapan itu tampak pada frekuensi 78 MHz.

Tapi, seperti yang diduga, sinyal radio ini sudah mengalami pergeseran merah ke frekuensi yang lebih rendah oleh pemuaian alam semesta.

Sinyal radio itu membawa cerita kalau foton radiasi latar belakang mengalami absorpsi 180 juta tahun setelah alam semesta terbentuk, atau 13,6 miliar tahun lalu.  Sinyal absorpsi ini baru berakhir 100 juta tahun kemudian.

Ketika bintang – bintang yang sangat masif mengakhiri hidupnya dan meledak sebagai supernova, akan ada reruntuhan bintang yang tersisa serta lubang hitam dan bintang neutron.

Sisa bintang inilah yang kemudian memancarkan sinar-X dan memanaskan gas yang ada di sekelilingnya.  Ketika gas sudah lebih panas dibanding temperatur radiasi latar belakang, sinyal absorpsi pun akan berakhir. Sinyal radio yang diterima memberi indikasi kejadian ini terjadi 270 juta tahun setelah Dentuman Besar.

Pengaruh Materi Gelap

Ada kejutan lain.  Sinyal radio yang dideteksi EDGES memperlihatkan terjadinya penguatan yang sangat signifikan. Setidaknya dua kali lebih kuat dari yang diharapkan.

Penguatan ini memberi indikasi kalau gas hidrogen mengabsorpsi lebih banyak radiasi latar belakang dari yang diduga atau dimodelkan oleh para astronom. Ada dua kemungkinan yang bisa menjelaskan kejadian ini. Yang pertama adalah temperatur gas hidrogen yang sangat dingin atau temperatur radiasi latar belakang yang lebih panas.

Kemungkinan pertama yang jadi pertimbangan. Alam semesta pada masa itu lebih dingin dari – 270ºC.

Tersangka utama yang mendinginkan gas hidrogen: Materi Gelap.

Materi misterius yang satu ini merupakan materi yang mendominasi alam semesta. Tapi, materi gelap tidak memancarkan atau menyerap cahaya.  Materi yang satu ini hanya bisa dideteksi melalui pengaruh gravitasi yang ditimbulkan pada materi normal.

Materi gelap yang ada pada alam semesta dini menghisap energi gas hidrogen dan mendinginkan gas tersebut. Jika dugaan ini benar, maka massa partikel materi gelap seharusnya lebih ringan dari massa interaksi lemah dari partikel-partikel masif. Atau kurang dari atom hidrogen yang lima kali lebih masif.

Penemuan ini merupakan terobosan penting dalam dunia astronomi. Akan tetapi, informasi dari sinyal yang lemah di alam semesta memberi indikasi keraguan bagi sebagian astronom.

Pengujian selama dua tahun sudah dilakukan oleh tim yang dipimpin Judd D. Bowman dari School of Earth and Space Exploration, Arizona State University. Para astronom ini melakukan akuisisi data berulang dan analisis dengan antena kedua pada lokasi yang sama dengan sudut berbeda.

Hasilnya, sinyal radio yang mereka terima dengan antena radio kecil itu bukan merupakan sinyal yang salah. Akan tetapi, tentu saja konfirmasi dengan instrumen lain seperti Hydrogen Epoch of Reionization Array di Afrika Selatan sangat dibutuhkan untuk mengungkap kisah fajar kosmis saat alam semesta kita masih sangat muda.

Ditulis oleh

Avivah Yamani

Avivah Yamani

Tukang cerita astronomi keliling a.k.a komunikator astronomi yang dulu pernah sibuk menguji kestabilan planet-planet di bintang lain. Sehari-hari menuangkan kisah alam semesta lewat tulisan dan audio sambil bermain game dan sesekali menulis makalah ilmiah terkait astronomi & komunikasi sains.

Avivah juga bekerja sebagai Project Director 365 Days Of Astronomy di Planetary Science Institute dan dipercaya IAU sebagai IAU OAO National Outreach Coordinator untuk Indonesia.