Ahli astrofisika UCLA telah menggunakan simulasi baru untuk mengungkap bahwa galaksi paling awal mungkin lebih kecil dan lebih terang dari yang diyakini sebelumnya, sehingga menantang teori materi gelap saat ini. Dengan menggabungkan interaksi antara gas dan materi gelap, penelitian mereka menunjukkan bahwa galaksi katai terang ini, jika ditemukan oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb, dapat memvalidasi model yang ada. Namun, ketidakhadiran mereka akan mendorong evaluasi ulang pemahaman kita tentang materi gelap dan pembentukan alam semesta.
Jika teori materi gelap dingin benar adanya, Teleskop Luar Angkasa Webb akan menemukan galaksi-galaksi kecil dan terang dari alam semesta awal.
Selama satu setengah tahun terakhir, Teleskop Luar Angkasa James Webb telah memberikan gambar menakjubkan tentang galaksi-galaksi jauh yang terbentuk tidak lama setelahnya Dentuman Besarmemberi para ilmuwan pandangan sekilas pertama tentang alam semesta yang masih bayi. Kini, sekelompok astrofisikawan telah meningkatkan tantangannya: Temukan galaksi terkecil dan paling terang di dekat permulaan waktu, atau para ilmuwan harus memikirkan kembali teori mereka tentang materi gelap.
Tim yang dipimpin oleh Universitas California ahli astrofisika, menjalankan simulasi yang melacak pembentukan galaksi-galaksi kecil setelah Big Bang dan untuk pertama kalinya memasukkan interaksi antara gas dan materi gelap yang sebelumnya diabaikan. Mereka menemukan bahwa galaksi-galaksi yang tercipta berukuran sangat kecil, jauh lebih terang, dan terbentuk lebih cepat dibandingkan dengan simulasi biasa yang tidak memperhitungkan interaksi-interaksi ini, malah mengungkap galaksi-galaksi yang jauh lebih redup.
Pentingnya Galaksi Katai dalam Studi Kosmik
Galaksi kecil, juga disebut galaksi katai, terdapat di seluruh alam semesta, dan sering dianggap mewakili jenis galaksi paling awal. Oleh karena itu, galaksi kecil sangat menarik bagi para ilmuwan yang mempelajari asal usul alam semesta. Namun galaksi kecil yang mereka temukan tidak selalu sesuai dengan apa yang mereka pikir harus mereka temukan. Mereka yang paling dekat dengan Bima Sakti berputar lebih cepat atau tidak sepadat simulasi, yang menunjukkan bahwa model tersebut mungkin mengabaikan sesuatu, seperti interaksi gas-materi gelap.
Penelitian baru, diterbitkan di Itu Surat Jurnal Astrofisika, menyempurnakan simulasi dengan menambahkan interaksi materi gelap dengan gas dan menemukan bahwa galaksi redup ini mungkin jauh lebih terang dari yang diperkirakan pada awal sejarah alam semesta, ketika galaksi tersebut baru mulai terbentuk. Para penulis menyarankan agar para ilmuwan mencoba menemukan galaksi kecil yang jauh lebih terang dari yang diperkirakan dengan menggunakan teleskop seperti teleskop Webb. Jika mereka hanya menemukan yang redup, maka sebagian gagasan mereka tentang materi gelap mungkin salah.
Gabungan Quintet Stephan, pengelompokan visual lima galaksi, dibangun dari hampir 1.000 file gambar terpisah dari Teleskop Luar Angkasa James Webb. Ahli astrofisika UCLA percaya jika teori materi gelap dingin benar, teleskop Webb akan menemukan galaksi kecil dan terang di awal alam semesta. Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI
Sifat Materi Gelap yang Sulit Dipahami
Materi gelap adalah jenis materi hipotetis yang tidak berinteraksi dengan elektromagnetisme atau cahaya. Oleh karena itu, mustahil untuk mengamati dengan menggunakan optik, listrik, atau magnet. Namun materi gelap memang berinteraksi dengan gravitasi, dan keberadaannya disimpulkan dari efek gravitasi yang ditimbulkannya terhadap materi biasa – materi yang menyusun seluruh alam semesta yang dapat diamati. Meskipun 84% materi di alam semesta diperkirakan terbuat dari materi gelap, namun hal tersebut belum pernah terdeteksi secara langsung.
Semua galaksi dikelilingi oleh lingkaran besar materi gelap, dan para ilmuwan berpendapat bahwa materi gelap sangat penting dalam pembentukannya. “Model kosmologi standar” yang digunakan para ahli astrofisika untuk memahami pembentukan galaksi menggambarkan bagaimana gumpalan materi gelap di alam semesta awal menarik materi biasa melalui gravitasi, menyebabkan pembentukan bintang dan menciptakan galaksi yang kita lihat sekarang. Karena sebagian besar partikel materi gelap – yang disebut materi gelap dingin – diperkirakan bergerak jauh lebih lambat daripada kecepatan cahaya, proses akumulasi ini terjadi secara bertahap.
Kemajuan Teoritis dalam Memahami Pembentukan Galaksi
Namun lebih dari 13 miliar tahun yang lalu, sebelum terbentuknya galaksi pertama, materi biasa, yang terdiri dari gas hidrogen dan helium dari Big Bang, serta materi gelap bergerak relatif satu sama lain. Gas tersebut mengalir dengan kecepatan supersonik melewati semak padat materi gelap yang bergerak lebih lambat yang seharusnya menariknya untuk membentuk galaksi.
“Memang benar, dalam model yang tidak memperhitungkan streaming, hal inilah yang sebenarnya terjadi,” kata Claire Williams, seorang mahasiswa doktoral UCLA dan penulis pertama makalah tersebut. “Gas tertarik oleh tarikan gravitasi materi gelap, membentuk gumpalan dan simpul yang sangat padat sehingga fusi hidrogen dapat terjadi, sehingga membentuk bintang seperti Matahari kita.”
Namun Williams dan rekan penulis di tim Proyek Supersonik, sekelompok astrofisikawan dari Amerika Serikat, Italia, dan Jepang yang dipimpin oleh profesor fisika dan astronomi UCLA Smadar Naoz, menemukan jika mereka menambahkan efek aliran kecepatan berbeda antara materi gelap dan materi biasa. dalam simulasi, gas tersebut mendarat jauh dari materi gelap dan langsung dicegah untuk membentuk bintang. Ketika akumulasi gas jatuh kembali ke galaksi jutaan tahun kemudian, ledakan besar pembentukan bintang terjadi secara bersamaan. Karena galaksi-galaksi ini memiliki lebih banyak bintang muda, panas, dan bercahaya dibandingkan galaksi-galaksi kecil biasa pada suatu waktu, galaksi-galaksi ini bersinar jauh lebih terang.
“Walau aliran ini menekan pembentukan bintang di galaksi-galaksi terkecil, aliran ini juga meningkatkan pembentukan bintang di galaksi-galaksi katai, menyebabkan galaksi-bintang tersebut lebih terang daripada bagian-bagian alam semesta yang tidak mengalir,” kata Williams. “Kami memperkirakan bahwa teleskop Webb akan mampu menemukan wilayah di alam semesta di mana galaksi akan lebih terang dan meningkat dengan kecepatan ini. Fakta bahwa galaksi-galaksi tersebut seharusnya sangat terang mungkin memudahkan teleskop untuk menemukan galaksi-galaksi kecil ini, yang biasanya sangat sulit dideteksi hanya 375 juta tahun setelah Big Bang.”
Karena materi gelap tidak mungkin dipelajari secara langsung, pencarian titik terang galaksi di awal alam semesta dapat memberikan pengujian yang efektif terhadap teori materi gelap, yang sejauh ini belum membuahkan hasil.
“Penemuan potongan galaksi kecil dan terang di awal alam semesta akan memastikan bahwa kita berada di jalur yang benar dalam model materi gelap dingin karena hanya kecepatan antara dua jenis materi yang dapat menghasilkan jenis galaksi yang kita cari. kata Naoz, Profesor Astrofisika Howard dan Astrid Preston. “Jika materi gelap tidak berperilaku seperti materi gelap dingin standar dan tidak ada efek streaming, maka galaksi katai terang ini tidak akan ditemukan dan kita perlu kembali ke papan gambar.”
Referensi: “Proyek Supersonik: Menyalakan Ujung Samar Fungsi Luminositas UV JWST” oleh Claire E. Williams, William Lake, Smadar Naoz, Blakesley Burkhart, Tommaso Treu, Federico Marinacci, Yurina Nakazato, Mark Vogelsberger, Naoki Yoshida, Gen Chiaki, Yeou S. Chiou dan Avi Chen, 8 Januari 2024, Surat Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad1491
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation dan NASA.
