Sebuah studi transformatif menganalisis lebih dari satu juta galaksi untuk mengeksplorasi asal usul struktur kosmik, mengungkap kesejajaran signifikan dalam bentuk galaksi dalam jarak yang sangat jauh. Penelitian ini, yang memanfaatkan metode inovatif dan menegaskan aspek teori inflasi, menandai kemajuan signifikan dalam memahami pembentukan alam semesta.
Sebuah tim peneliti telah menganalisis lebih dari satu juta galaksi untuk mengeksplorasi asal usul struktur kosmik saat ini, lapor sebuah penelitian terbaru yang diterbitkan di Tinjauan Fisik D sebagai Saran Redaksi.
Hingga saat ini, pengamatan dan analisis yang tepat terhadap latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) dan struktur skala besar (LSS) telah mengarah pada pembentukan kerangka standar alam semesta, yang disebut model ΛCDM, di mana materi gelap dingin (CDM) berada. dan energi gelap (konstanta kosmologis, Λ) merupakan karakteristik yang signifikan.
Gambar yang diperoleh dari pengamatan struktur alam semesta berskala besar. Banyaknya objek yang ditampilkan dalam warna kuning hingga merah semuanya mewakili galaksi yang berjarak ratusan juta tahun cahaya dari Bumi. Galaksi-galaksi tersebut mempunyai beragam warna dan bentuk, dan jumlahnya terlalu banyak untuk dihitung dalam luasnya ruang angkasa. Sebaran spasial dan pola bentuk galaksi-galaksi ini tidaklah acak, namun memang memiliki “korelasi” yang bersumber dari sifat statistik benih fluktuasi primordial seperti yang diperkirakan oleh inflasi. Kredit: Subaru HSC
Model ini menunjukkan bahwa fluktuasi primordial dihasilkan pada permulaan alam semesta, atau pada awal alam semesta, yang bertindak sebagai pemicu, yang mengarah pada penciptaan segala sesuatu di alam semesta termasuk bintang, galaksi, gugus galaksi, dan distribusi spasialnya ke seluruh ruang. . Meskipun ukurannya sangat kecil saat dihasilkan, fluktuasinya meningkat seiring waktu karena gaya tarik gravitasi, yang akhirnya membentuk wilayah padat materi gelap, atau lingkaran cahaya. Kemudian, lingkaran cahaya yang berbeda berulang kali bertabrakan dan menyatu satu sama lain, sehingga menghasilkan pembentukan benda langit seperti galaksi.
Distribusi Galaksi dan Fluktuasi Primordial
Karena sifat distribusi spasial galaksi sangat dipengaruhi oleh sifat fluktuasi primordial yang menciptakannya, analisis statistik distribusi galaksi telah dilakukan secara aktif untuk mengeksplorasi sifat fluktuasi primordial secara observasional. Selain itu, pola spasial bentuk galaksi yang tersebar di wilayah luas alam semesta juga mencerminkan sifat fluktuasi primordial yang mendasarinya.
Namun, analisis konvensional terhadap struktur skala besar hanya berfokus pada distribusi spasial galaksi sebagai titik. Baru-baru ini, para peneliti mulai mempelajari bentuk galaksi, karena tidak hanya memberikan informasi tambahan, namun juga memberikan perspektif berbeda mengenai sifat fluktuasi primordial.
Visualisasi tentang bagaimana fluktuasi primordial yang “berbeda” di alam semesta menyebabkan perbedaan distribusi spasial materi gelap. Gambar tengah (umum pada baris atas dan bawah) menunjukkan fluktuasi dalam distribusi referensi Gaussian. Gradasi warnanya (biru ke kuning) sesuai dengan nilai fluktuasi pada lokasi tersebut (daerah dengan kepadatan rendah hingga tinggi). Gambar kiri dan kanan menunjukkan fluktuasi yang sedikit menyimpang dari distribusi Gaussian, atau non-Gaussian. Tanda dalam tanda kurung menunjukkan tanda deviasi dari Gaussianity, yaitu deviasi negatif (-) di sebelah kiri dan deviasi positif (+) di sebelah kanan. Baris atas adalah contoh non-Gaussianitas isotropik. Dibandingkan dengan fluktuasi Gaussian tengah, gambar di sebelah kiri menunjukkan peningkatan di wilayah negatif yang besar (biru tua), sedangkan gambar di sebelah kanan menunjukkan peningkatan di wilayah positif yang besar (kuning terang). Diketahui bahwa kita dapat mencari non-Gaussianitas isotropik tersebut menggunakan distribusi spasial galaksi yang diamati. Panel bawah menunjukkan contoh non-Gaussianitas anisotropik. Dibandingkan dengan kasus isotropik di panel atas, kecerahan dan kegelapan keseluruhan tidak berubah dari fluktuasi Gaussian di panel tengah, namun bentuk tiap wilayah telah berubah. Kita dapat mencari non-Gaussianitas “anisotropik” ini dari pola spasial bentuk galaksi. Kredit: Kurita ＆ Takada
Sebuah tim peneliti, dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Institut Kavli untuk Fisika dan Matematika Alam Semesta (Kavli IPMU), Toshiki Kurita (saat ini menjadi peneliti pascadoktoral di Institut Astrofisika Max Planck), dan Profesor Kavli IPMU Masahiro Takada mengembangkan metode untuk mengukur spektrum kekuatan bentuk galaksi, yang mengekstrak informasi statistik penting dari pola bentuk galaksi dengan menggabungkan data spektroskopi distribusi spasial galaksi dan data pencitraan setiap bentuk galaksi.
Analisis Komprehensif dan Temuan Penting
Para peneliti secara bersamaan menganalisis distribusi spasial dan pola bentuk sekitar satu juta galaksi dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS), survei galaksi terbesar di dunia saat ini.
Hasilnya, mereka berhasil membatasi sifat statistik fluktuasi primordial yang menjadi benih pembentukan struktur seluruh alam semesta.
Titik biru dan bilah kesalahan adalah nilai spektrum daya bentuk galaksi. Sumbu vertikal berhubungan dengan kekuatan korelasi antara dua bentuk galaksi, yaitu kesejajaran orientasi bentuk galaksi. Sumbu horizontal mewakili jarak antara dua galaksi, dan sumbu kiri (kanan) mewakili korelasi antara galaksi yang lebih jauh (dekat). Titik abu-abu menunjukkan korelasi non-fisik yang nyata. Fakta bahwa nilai ini adalah nol dalam kesalahan, seperti yang diharapkan, menegaskan bahwa titik-titik berwarna biru yang diukur memang merupakan sinyal yang berasal dari astrofisika. Kurva hitam adalah kurva teoretis dari model inflasi paling standar, dan ternyata sesuai dengan titik data aktual. Kredit: Kurita & Takada
Mereka menemukan keselarasan yang signifikan secara statistik dari orientasi dua galaksi yang berjarak lebih dari 100 juta tahun cahaya. Hasilnya menunjukkan adanya korelasi antara galaksi-galaksi jauh yang proses pembentukannya tampaknya independen dan tidak berhubungan secara kausal.
“Dalam penelitian ini, kami dapat menerapkan batasan pada sifat fluktuasi primordial melalui analisis statistik ‘bentuk’ berbagai galaksi yang diperoleh dari data struktur skala besar. Ada beberapa preseden penelitian yang menggunakan bentuk galaksi untuk mengeksplorasi fisika alam semesta awal, dan proses penelitian, mulai dari konstruksi ide dan pengembangan metode analisis hingga analisis data aktual, merupakan serangkaian uji coba. Karena itu, saya menghadapi banyak tantangan. Namun saya senang bisa meraihnya selama program doktoral saya. Saya yakin pencapaian ini akan menjadi langkah awal untuk membuka bidang penelitian baru kosmologi dengan menggunakan bentuk galaksi,” kata Kurita.
Lebih jauh lagi, penyelidikan terperinci atas korelasi-korelasi ini menegaskan bahwa korelasi-korelasi tersebut konsisten dengan korelasi-korelasi yang diprediksikan oleh inflasi, dan tidak menunjukkan ciri non-Gaussian dalam fluktuasi primordial.
“Penelitian ini merupakan hasil disertasi doktoral Toshiki. Ini merupakan pencapaian penelitian yang luar biasa karena kami mengembangkan metode untuk memvalidasi model kosmologis menggunakan bentuk galaksi dan distribusi galaksi, menerapkannya pada data, dan kemudian menguji fisika inflasi. Itu adalah topik penelitian yang belum pernah dilakukan siapa pun sebelumnya, tetapi dia melakukan ketiga langkah tersebut: teori, pengukuran, dan penerapan. Selamat! Saya sangat bangga dengan kenyataan bahwa kami mampu melakukan ketiga langkah tersebut. Sayangnya, saya tidak membuat penemuan besar dalam mendeteksi fisika inflasi yang baru, namun kami telah menetapkan jalur untuk penelitian di masa depan. Kami berharap dapat membuka area penelitian lebih lanjut dengan menggunakan Subaru Prime Focus Spectrograph,” kata Takada.
Metode dan hasil penelitian ini akan memungkinkan para peneliti di masa depan untuk menguji lebih lanjut teori inflasi.
Referensi: “Batasan pada primordial anisotropik non-Gaussianitas dari keselarasan intrinsik galaksi BOSS SDSS-III” oleh Toshiki Kurita dan Masahiro Takada, 31 Oktober 2023, Tinjauan Fisik D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.108.083533
