Mengungkap Misteri Penciptaan Bintang di Galaksi Pusaran Air

Untuk pertama kalinya, tanda-tanda awan pembentuk bintang yang dingin dan padat ditemukan di galaksi luar Bima Sakti telah dipetakan pada wilayah yang luas.

Sebuah tim peneliti internasional yang dipimpin oleh para astronom dari Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) telah dengan cermat memetakan wilayah gas dingin dan padat yang luas, yang merupakan tempat pembibitan bintang masa depan, di sebuah galaksi di luar Bima Sakti dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dengan memanfaatkan interferometer NOEMA, pengamatan ini mencakup hamparan luas di dalam galaksi, memberikan wawasan tentang berbagai kondisi yang mendukung pembentukan bintang. Data ini menandai pencapaian terobosan dalam jenis pengukuran ini, yang memungkinkan para peneliti, untuk pertama kalinya, meneliti fase awal pembentukan bintang di luar Bima Sakti dalam skala sekecil awan gas yang melahirkan bintang.

Tempat Lahirnya Bintang di Galaksi Pusaran Air

Paradoksnya, evolusi bintang panas dimulai di alam terdingin di alam semesta—awan gas dan debu padat yang melintasi seluruh galaksi. “Untuk menyelidiki fase awal pembentukan bintang, di mana gas berangsur-angsur mengembun hingga akhirnya menghasilkan bintang, pertama-tama kita harus mengidentifikasi wilayah-wilayah ini,kata Sophia Stuber, mahasiswa PhD di Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg. Dia adalah penulis utama artikel penelitian yang dijadwalkan untuk dipublikasikan di Astronomi & Astrofisika. “Untuk tujuan ini, kami biasanya mengukur radiasi yang dipancarkan oleh molekul tertentu yang melimpah di zona yang sangat dingin dan padat ini.”

Molekul Sebagai Probe Kimia

Para astronom biasanya menggunakan molekul seperti HCN (hidrogen sianida) dan N₂H⁺ (diazenylium) sebagai wahana kimia dalam mengeksplorasi pembentukan bintang di Bima Sakti. “Tetapi baru sekarang kami dapat mengukur tanda-tanda ini dengan sangat rinci pada rentang yang luas di galaksi di luar Bima Sakti, yang mencakup berbagai zona dengan kondisi yang beragam,” jelas Eva Schinnerer, pemimpin kelompok penelitian di MPIA. “Bahkan pada pandangan pertama, terlihat jelas bahwa meskipun kedua molekul tersebut secara efektif mengungkap gas padat, keduanya juga mengungkapkan perbedaan yang menarik.”

Melalui tumbukan dengan molekul hidrogen yang melimpah, yang sulit dideteksi, molekul lain pun ikut berputar. Setelah kecepatan rotasinya berkurang, mereka memancarkan radiasi dengan panjang gelombang karakteristik, kira-kira tiga milimeter untuk molekul yang disebutkan di atas.

Pengukuran ini merupakan bagian dari program observasi komprehensif bernama SWAN (Surveying the Whirlpool at Arcsecond with NOEMA), yang dipimpin bersama oleh Schinnerer dan Frank Bigiel dari Universitas Bonn. Memanfaatkan Northern Extended Millimeter Array (NOEMA), sebuah interferometer radio di Pegunungan Alpen Prancis, tim ini bertujuan untuk mempelajari distribusi berbagai molekul dalam jarak 20.000 tahun cahaya dari Galaksi Whirlpool (Messier 51), termasuk hidrogen sianida dan diazenylium. Selain 214 jam observasi dari program ini, sekitar 70 jam dari kampanye observasi lainnya dengan teleskop piringan tunggal 30 meter di Spanyol selatan melengkapi kumpulan data tersebut.

“Karena data dari interferometer radio jauh lebih kompleks daripada gambar teleskop, pemrosesan dan penyempurnaan data memerlukan waktu sekitar satu tahun lagi,” kata Jérôme Pety dari Institute de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), lembaga yang mengoperasikan teleskop. Teleskop interferometri seperti NOEMA terdiri dari beberapa antena individual, yang secara kolektif mencapai resolusi detail yang sebanding dengan teleskop dengan diameter cermin utama yang setara dengan jarak antar teleskop individual.

Sifat Gas Tergantung pada Lingkungan

Saat kita mengamati galaksi ini dari jarak sekitar 28 juta tahun cahaya, kita dapat membedakan ciri-ciri awan gas individual di berbagai area, seperti pusat dan lengan spiral. “Kami memanfaatkan keadaan ini untuk menentukan seberapa baik kedua gas tersebut menelusuri awan padat di galaksi ini dan apakah keduanya cocok,” jelas Stuber.

Meskipun intensitas radiasi hidrogen sianida dan diazenilium secara konsisten meningkat dan menurun di seluruh lengan spiral, sehingga memberikan hasil yang sama andalnya dalam menentukan kepadatan gas, para astronom menemukan penyimpangan yang mencolok di pusat galaksi. Dibandingkan diazenylium, kecerahan emisi hidrogen sianida meningkat lebih signifikan di wilayah ini. Tampaknya ada mekanisme di sana yang merangsang hidrogen sianida untuk memancarkan cahaya tambahan, yang tidak diamati pada diazenylium.

“Kami menduga inti galaksi aktif di Galaksi Whirlpool bertanggung jawab atas hal ini,” kata Schinnerer. Wilayah ini mengelilingi pusat secara masif lubang hitam. Sebelum gas jatuh ke dalam lubang hitam, ia membentuk piringan yang berputar, berakselerasi hingga kecepatan tinggi, dan memanas hingga ribuan derajat melalui gesekan, sehingga memancarkan radiasi yang kuat. Radiasi ini memang dapat berkontribusi sebagian terhadap emisi tambahan molekul hidrogen sianida. “Namun, kita masih perlu mengeksplorasi secara detail apa yang membuat kedua gas tersebut berperilaku berbeda,” tambah Schinnerer.

Tantangan yang Bermanfaat

Oleh karena itu, setidaknya di wilayah tengah Galaksi Whirlpool, diazenylium tampaknya merupakan probe kepadatan yang lebih andal dibandingkan dengan hidrogen sianida. Sayangnya, cahayanya rata-rata lima kali lebih redup untuk kepadatan gas yang sama, sehingga meningkatkan upaya pengukuran secara signifikan. Sensitivitas tambahan yang diperlukan dicapai melalui periode observasi yang jauh lebih lama.

Prospek untuk mengeksplorasi fase awal secara mendetail di galaksi di luar Bima Sakti membawa harapan bagi para ilmuwan. Pemandangan Galaksi Whirlpool yang begitu jelas tidak tersedia untuk Bima Sakti. Meskipun awan molekuler dan daerah pembentuk bintang terletak lebih dekat di Bima Sakti, menentukan struktur dan lokasi yang tepat dari lengan spiral dan awan jauh lebih menantang.

“Meskipun kita dapat belajar banyak dari program observasi mendetail dengan Whirlpool Galaxy, ini bisa dibilang merupakan proyek percontohan,” kata Stuber. “Kami ingin menjelajahi lebih banyak galaksi dengan cara ini di masa depan.” Namun, kemungkinan ini saat ini menghadapi keterbatasan karena kemampuan teknis. Galaksi Pusaran Air (Whirlpool Galaxy) bersinar sangat terang jika terkena cahaya dari wahana kimia tersebut. Untuk galaksi lain, teleskop dan instrumen harus jauh lebih sensitif.

“Very Large Array (ngVLA) generasi berikutnya, yang saat ini sedang dalam perencanaan, kemungkinan akan cukup bertenaga,” harap Schinnerer. Jika semuanya berjalan baik, itu hanya akan tersedia sekitar sepuluh tahun dari sekarang. Sampai saat itu, Galaksi Whirlpool berfungsi sebagai laboratorium yang kaya untuk mengeksplorasi pembentukan bintang dalam skala galaksi.

Referensi: “Survei Pusaran Air pada Arcdetik dengan NOEMA (SWAN) – I. Memetakan HCN dan N₂Garis H+ 3mm” oleh Sophia K. Stuber, Jerome Petty, Eva Schinnerer, Frank Bigiel, Antonio Usero, Ivana Beslić, Miguel Querejeta, Maria J. Jimenez-Donaire, Adam Leroy, Jacob den Brock, Lukas Neumann, Cosima Eibensteiner, Yu- Hsuan Teng, Ashley Barnes, Melanie Chevance, Dario Colombo, Daniel A. Dale, Simon CO Glover, Daizhong Liu dan Hsi-An Pan, 20 Desember 2023, Astronomi & Astrofisika.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348205

Peneliti MPIA yang terlibat dalam penelitian ini adalah Sophia Stuber dan Eva Schinnerer.

Kontributor lainnya antara lain Jerome Pety (IRAM dan Observatoire de Paris/PSL, Perancis (PSL)), Frank Bigiel (Universitas Bonn, Jerman (UB)), Antonio Usero (National Astronomical Observatory/IGN, Madrid, Spanyol (OAN)), Ivana Bešlić (PSL), Miguel Querejeta (OAN), J. Maria Jimenez-Donaire (OAN dan Yebes Observatory/IGN, Guadalajara, Spanyol), Adam Leroy (Ohio State University, Columbus, AS), dan Jakob den Brok (Pusat Penelitian Lukas Neumann (UB), Cosima Eibensteiner (UB), Yu-Hsuan Teng (University of California San Diego, La Jolla, USA), Ashley Barnes (European Southern Observatory, Garching, Jerman). (ITU)), Mélanie Chevance (Pusat Astronomi, Universitas Heidelberg, Jerman (ZAH) dan Penelitian Asal Usul Kosmik Kehidupan DAO), Dario Colombo (UB), Daniel A. Dale (Universitas Wyoming, Laramie, AS), Simon CO Glover ( ZAH), Daizhong Liu (Institut Max Planck untuk Fisika Luar Angkasa, Garching, Jerman), dan Hsi-An Pan (Universitas Tamkang, Taiwan).