Dalam Cahaya Bintang Monster, Petunjuk Kegelapan | Majalah Kuanta

Oktober lalu, ketika Teleskop Luar Angkasa James Webb memancarkan cahaya panjang pertamanya di langit dekat konstelasi Eridanus, para astronom mulai mengumpulkan cerita tentang titik cahaya redup dan berkelap-kelip yang tampaknya muncul dari relung terdalam alam semesta.

Apapun itu, ia bersinar terlalu lama untuk menjadi supernova; satu bintang juga tidak ada. “Rasanya seperti Anda berada di salah satu film CSI ini, bahwa Anda adalah seorang detektif,” katanya José María Diego, seorang astrofisikawan di Institut Fisika Cantabria di Spanyol yang bekerja untuk menguraikan sinyal tersebut. “Anda mempunyai banyak tersangka, dan Anda harus melenyapkan [mereka] satu per satu.”

Diego dan rekan-rekannya baru-baru ini melaporkan bahwa noda cahaya samar tersebut tampaknya berasal sistem bintang ekstrem mereka menjuluki Mothra – sepasang bintang super raksasa yang, pada masa kejayaannya, 10 miliar tahun yang lalu, mengungguli hampir semua bintang lain di galaksi mereka.

Pada saat itu, seluruh alam semesta lebih muda dibandingkan bumi sekarang; planet kita baru mulai menyatu setelah foton Mothra mencapai setengah perjalanan kosmik mereka menuju dunia yang akan mengembangkan teleskop luar angkasa raksasa yang peka terhadap inframerah tepat pada waktunya untuk menangkap cahaya mereka. Mendeteksi cahaya yang dipancarkan oleh sistem bintang individual pada masa lalu adalah hal yang mustahil. Tapi Mothra, yang namanya diambil dari monster kaiju yang terinspirasi oleh ngengat sutra, hanyalah yang terbaru dari rangkaian sistem bintang tertua, terjauh, dan superlatif yang pernah ditemukan para astronom dalam gambar dari JWST dan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Dan sekilas, sementara Mothra dan saudara-saudaranya yang mengerikan adalah objek astrofisika yang menarik, yang paling menggairahkan Diego adalah bahwa cahaya bintang monster itu tampaknya mengungkapkan kelas objek yang sangat berbeda yang melayang di antara ia dan Bumi: sebuah objek yang tidak terlihat. gumpalan materi gelap yang ia dan rekan-rekannya hitung memiliki berat antara 10,000 dan 2.5 juta kali massa matahari.

Jika objek seperti itu benar-benar ada – yang merupakan kesimpulan awal untuk saat ini – hal ini dapat membantu fisikawan mempersempit teori mereka tentang materi gelap dan mungkin, mungkin saja, memecahkan misteri massa alam semesta yang tidak dapat dijelaskan.

Pada tahun 2023, upaya laboratorium untuk mencari partikel-partikel materi gelap tidak membuahkan hasil, meninggalkan beberapa astrofisikawan dengan kecurigaan pragmatis yang suram bahwa satu-satunya cara manusia dapat memasang kaliper pada zat misterius tersebut adalah dengan mempelajari efek gravitasinya terhadap alam semesta yang lebih luas. Jadi tim Diego dan yang lainnya mencari garis-garis halus benda-benda gelap di kosmos. Mereka berharap dapat mengidentifikasi gumpalan terkecil materi gelap yang ada – yang pada gilirannya bergantung pada fisika dasar partikel materi gelap itu sendiri. Namun gumpalan materi gelap murni tidak muncul begitu saja di hadapan para astronom; tim menggunakan trik observasi untuk membujuk bayangan tersebut dari bayangan. Kini para astronom fokus pada fenomena kosmik mulai dari lensa gravitasi yang melengkung di ruang angkasa – sejenis kaca pembesar yang didominasi materi gelap yang tidak terlihat yang mengungkapkan Mothra – hingga aliran bintang yang berkibar dan seperti pita yang berada jauh lebih dekat dengan rumah. Sejauh ini, upaya ini telah mengesampingkan banyak varian dari serangkaian model populer yang disebut “materi gelap hangat”.

“Anda tidak dapat menyentuh materi gelap,” katanya Anna Nierenberg, seorang ahli astrofisika di Universitas California, Merced yang sedang mencari gumpalan gelap antarbintang dengan JWST. Tapi menemukan bangunan kecil yang terbuat dari itu? “Itu sedekat yang bisa kamu dapatkan.”

Halo, Halo, Halo

Sedikit yang kita ketahui tentang materi gelap ada dalam garis besar yang kabur dan kabur. Bukti selama puluhan tahun menunjukkan bahwa teori gravitasi tidak lengkap, atau, seperti yang sering dikemukakan oleh para astrofisikawan, partikel materi gelap menghantui alam semesta. Dalam sebuah pengamatan klasik, bintang-bintang tampak bergerak mengelilingi pinggiran galaksi seolah-olah berada dalam cengkeraman gravitasi yang jauh lebih kuat daripada yang diperkirakan oleh materi yang terlihat. Dengan mengukur pergerakan bintang-bintang ini dan menerapkan teknik lain yang mengidentifikasi wilayah ruang angkasa dengan bobot ekstra, para astronom dapat memvisualisasikan bagaimana materi gelap alam semesta didistribusikan dalam skala yang lebih besar.

“Jika kita memiliki kacamata materi gelap,” kata Nierenberg, di setiap galaksi kita mungkin akan melihat “struktur berbentuk semangka yang besar, tidak jelas, memanjang, dan jauh lebih besar daripada galaksi itu sendiri.” Untuk Bima Sakti kita, para astronom memperkirakan bahwa kepompong gelap yang menyebar ini – disebut halo – memiliki berat sekitar satu triliun massa matahari dan lebih dari 10 kali lebih lebar dari piringan bintang spiral di galaksi.

Namun, jika diperbesar ke skala yang lebih kecil, kepastian ilmiah akan hilang. Apakah halo materi gelap Bima Sakti merupakan sebuah rencana yang mulus? Ataukah tersusun dalam gumpalan-gumpalan yang disebut sub-halo? Dan jika ya, berapa ukuran gumpalan tersebut?

Jawabannya memungkinkan para ilmuwan mengidentifikasi sifat sebenarnya dari materi gelap. Model tentang bagaimana alam semesta mengembangkan strukturnya saat ini – sebuah jaringan kosmik, yang dijalin oleh rangkaian galaksi yang berkilauan – memperkirakan bahwa partikel materi gelap, apa pun bentuknya, berkumpul menjadi gumpalan kecil yang terikat secara gravitasi selama beberapa ratus ribu tahun pertama setelah Big Bang. Banyak dari gumpalan tersebut bergabung dan akhirnya menarik materi yang terlihat. Itu tumbuh menjadi benih galaksi. Namun beberapa lingkaran cahaya gelap terkecil yang tidak menyatu seharusnya masih ada sebagai “sisa-sisa pembentukan struktur di alam semesta awal,” kata Ethan Nadler, seorang ahli astrofisika di Observatorium Carnegie dan Universitas Southern California. “Seperti mesin waktu.”

Menemukan dan menimbang gumpalan peninggalan ini akan membantu fisikawan mempererat pemahaman mereka tentang fisika dasar materi gelap - termasuk massa partikel misterius dan “suhu” -nya, sebuah istilah yang agak menyesatkan yang menggambarkan kecepatan awan partikel individu bergerak di sekitarnya.

Salah satu tersangka utama dalam misteri materi gelap adalah materi gelap dingin, sebuah kelas model yang penyebabnya adalah partikel yang relatif berat dan lamban; salah satu contohnya adalah partikel masif yang berinteraksi lemah, atau WIMP. Jika teori-teori ini benar, partikel-partikel tersebut akan dengan mudah menjadi gumpalan yang memiliki gravitasi sendiri di alam semesta awal, beberapa di antaranya mungkin berukuran sekecil massa Bumi. Saat ini, lingkaran cahaya kecil materi gelap yang tersisa ini masih terapung di dalam dan di sekitar lingkaran cahaya kolektif galaksi yang lebih besar seperti Bima Sakti.

Namun jika partikel materi gelap yang lebih terang bergerak melalui kosmos awal dengan lebih cepat, seperti yang ditunjukkan oleh model materi gelap “hangat” yang bersaing, maka hanya gumpalan yang lebih besar dengan tarikan gravitasi yang lebih kuat yang dapat terbentuk. Model-model ini menunjukkan bahwa ada batasan untuk struktur materi gelap, yaitu massa minimum di mana lingkaran cahaya tidak ada. Jadi, setiap kali seseorang menemukan lingkaran cahaya gelap baru yang terkecil yang diketahui (seperti lingkaran cahaya gelap antara Bumi dan Mothra), para ahli teori terpaksa mengesampingkan skenario yang semakin dingin.

Kelas model populer lainnya, yang disebut materi gelap fuzzy, hanya mengasumsikan partikel materi gelap — mungkin ada 10²⁸ kali lebih ringan dari elektron. Partikel hipotetis yang disebut axion, misalnya, mungkin berukuran sebesar ini dan juga relatif dingin. Makhluk kelas bulu ini akan berperilaku lebih seperti gelombang daripada partikel, yang bergerak melintasi galaksi. Seperti materi gelap yang hangat, inkarnasi mirip gelombang ini tidak akan membentuk gumpalan yang terikat secara gravitasi pada skala massa yang lebih kecil dari galaksi. Tapi materi gelap ultra terang punya petunjuk lain. Saat gelombang materi gelap kabur saling bertabrakan dalam halo, mereka mungkin membentuk pola interferensi lebih kecil yang disebut butiran – wilayah berbutir dengan kepadatan materi gelap lebih tinggi – yang akan memberikan tanda gravitasi terukur mereka sendiri.

Mengesampingkan beberapa teori ini memerlukan penemuan – atau tidak ditemukannya – lingkaran cahaya materi gelap dengan massa yang semakin rendah. Pencarian dimulai dengan mengidentifikasi lingkaran cahaya paling kecil yang diketahui menyelimuti galaksi kerdil, gumpalan materi gelap yang masih berbobot ratusan juta massa matahari, dan kini sedang menuju ke hal yang tidak diketahui. Namun masalahnya adalah lingkaran cahaya gelap kecil hipotetis ini mungkin tidak memiliki kekuatan gravitasi yang diperlukan untuk menarik materi biasa dan menyalakan bintang. Mereka tidak dapat dilihat secara langsung - mereka hanyalah bayangan tebal. “Perburuan telah dilakukan untuk mencari bukti,” kata Matthew Walker, seorang astrofisikawan di Universitas Carnegie Mellon. “Sulit untuk menemukannya.”

Pelajaran Dari Lensa

Pencarian paling canggih saat ini untuk sub-halo kecil dan gelap yang mendukung fenomena yang hampir ajaib: pelensaan gravitasi. Diprediksi oleh Einstein, lensa gravitasi adalah wilayah ruang-waktu yang melengkung di sekitar benda masif. Medan gravitasi benda tersebut - lensa - mendistorsi dan memfokuskan cahaya latar dengan cara yang hampir sama seperti kaca pembesar dapat memperbesar gambar seekor semut atau memusatkan sinar matahari hingga cukup untuk menyalakan api.

Setiap penyelarasan pelensaan melibatkan sumber cahaya yang bersinar dari pantai terjauh alam semesta, dan lensa itu sendiri. Seringkali, lensa-lensa ini merupakan galaksi masif atau gugus galaksi yang membengkokkan ruang-waktu dan kebetulan sejajar, secara kebetulan kosmik, antara sumber yang jauh tersebut dan Bumi. Lensa menghasilkan berbagai efek optik, mulai dari busur cahaya hingga beberapa salinan dari sumber latar belakang yang sama hingga gambar objek yang diperbesar yang mungkin terlalu jauh untuk dilihat.

Hanya dengan memancing melalui lensa kosmos, pada tahun 2017, para astronom dapat memotretnya Icarus, bintang yang bersinar terang sekitar 9 miliar tahun yang lalu. Baru-baru ini, mereka menemukan Earendel yang berusia hampir 13 miliar tahun, pemegang rekor bintang paling kuno saat ini, yang memancarkan cahaya sebanyak-banyaknya dengan sendirinya sebagai 1 juta matahari. Mereka juga melihat Godzilla, bintang jauh yang sangat energik mengalami ledakan eksplosif, dan sesama monster Godzilla, Mothra, yang tampaknya merupakan tipe objek variabel serupa. (“Dan ya, kami bersenang-senang dengan ini,” kata Diego tentang proses penamaan timnya.)

Namun lensa gravitasi bukan sekadar portal menuju sisi lain alam semesta. Pemburu materi gelap telah lama menganggap lensa setidaknya sama menariknya dengan pembesarannya. Cara tepat lensa membengkokkan dan mendistorsi gambar latar belakang berhubungan dengan bagaimana massa didistribusikan di dalam dan di sekitar galaksi atau cluster pelensaan. Jika materi gelap ada dalam gumpalan kecil tanpa bintang dalam pola lingkaran cahaya seukuran galaksi yang diketahui – maka para astronom juga akan dapat melihat cahaya yang membelok di sekitar gumpalan tersebut.

Lingkaran cahaya gelap terkecil yang terdeteksi melalui metode ini sudah menyaingi lingkaran cahaya terkecil yang diukur di sekitar galaksi katai. Pada tahun 2020, sebuah tim termasuk Nierenberg menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan Observatorium Keck di Hawai'i untuk melihat gambar quasar yang diperbesar – suar cahaya yang dipancarkan oleh materi yang jatuh ke dalam lubang hitam – dan menemukan bukti lingkaran cahaya gelap sekecil ratusan juta massa matahari. Itu sama dengan ukuran halo yang diasosiasikan dengan galaksi terkecil, sebuah tingkat kesepakatan statistik yang Nadler, dalam sebuah pelajaran diterbitkan pada tahun berikutnya, digunakan untuk mengesampingkan model materi gelap hangat yang terdiri dari partikel yang lebih ringan dari sekitar 1/50 elektron, sehingga gumpalan kecil seperti itu tidak akan pernah bisa terbentuk.

Sementara itu, tahun ini, dua tim menggunakan quasar berlensa untuk mencari butiran partikel materi gelap berbulu halus – butiran yang akan terbentuk melalui proses serupa dengan yang membuat riak muncul di permukaan kolam renang, menurut penulis pertama. dari salah satu penelitian ini, Devon Powell dari Institut Astrofisika Max Planck. “Anda melihat distribusi masalah ini sangat kacau dan tidak merata,” katanya. “Itu hanya gangguan gelombang.”

Analisis timnya, diterbitkan pada bulan Juni di Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society, tidak menemukan bukti untuk efek materi gelap seperti gelombang dalam gambar busur cahaya beresolusi tinggi dari satu lensa gravitasi, menunjukkan bahwa partikel gelap pasti lebih berat daripada kandidat fuzzy terkecil. Tapi penelitian di bulan April Astronomi Alam, dipimpin oleh Alfred Amruth dari Universitas Hong Kong, mengamati empat salinan quasar latar belakang berlensa dan sampai pada kesimpulan sebaliknya: Sebuah lensa yang terbuat dari materi gelap kabur, mereka berpendapat, dijelaskan dengan lebih baik fluktuasi kecil dalam data mereka. (Temuan yang bertentangan tidak sepenuhnya mengejutkan mengingat sinyal yang diharapkan tidak kentara dan pendekatan eksperimentalnya masih baru, kata para ahli di luar kedua tim. Quanta.)

Sementara itu, Nierenberg dan rekan-rekannya telah menghabiskan setahun terakhir menggunakan JWST untuk mengamati lensa gravitasi yang memperbesar quasar, dengan tujuan sementara untuk menerbitkan analisis pertama mereka pada bulan September. Secara teori, mereka menghitung bahwa kemampuan JWST untuk mengungkap struktur skala kecil di lensa akan mengungkap apakah lingkaran cahaya gelap ada sebagai gumpalan tak berbintang yang sepenuhnya tak terlihat dengan kisaran ukuran puluhan juta massa matahari. Jika demikian, lingkaran cahaya tersebut akan memberikan batasan terkuat mengenai seberapa “hangat” materi gelap.

Metode yang lebih baru dalam mengamati bintang-bintang ekstrem dan jauh seperti Mothra melalui lensa gravitasi mungkin akan segera beralih dari mengidentifikasi keingintahuan yang hanya ada satu kali saja menjadi fitur reguler astronomi di era JWST. Jika Diego dan rekan-rekannya benar, dan mereka dapat melihat Mothra karena ia dilensa oleh gumpalan materi gelap yang berbobot kurang dari beberapa juta massa matahari, observasi tersebut saja akan mengesampingkan model materi gelap hangat yang luas. Namun ia tetap akan mendukung materi gelap yang dingin dan kabur, meskipun dalam kasus terakhir – ketika perbesaran ekstra Mothra berasal dari butiran materi gelap yang padat dan bukan dari gumpalan yang terikat secara gravitasi – ia masih akan memaksa materi gelap kabur ke dalam kisaran yang sempit. dari kemungkinan massa.

Para astronom menemukan lebih banyak bintang berlensa dengan Hubble dan JWST, kata Diego, sambil mewaspadai distorsi optik anomali lainnya yang mungkin berasal dari cahaya bintang yang membelok di sekitar objek kecil yang gelap. “Kami baru mulai menggores permukaannya,” katanya. “Saya tidak mengambil banyak liburan akhir-akhir ini.”

Pulau Gelap di Aliran Bintang

Pencarian lain untuk lingkaran cahaya materi gelap kecil difokuskan pada bintang-bintang yang lebih dekat – bintang-bintang di pita dekat Bima Sakti, dan bintang-bintang biner di galaksi katai terdekat. Pada tahun 2018, Ana Bonaca, yang sekarang menjadi ahli astrofisika di Observatorium Carnegie, berlomba mengunduh data dari pesawat ruang angkasa Gaia milik Badan Antariksa Eropa, yang mengukur pergerakan hampir 2 miliar bintang di Bima Sakti. Bonaca memilah-milah pengamatan awal tersebut dan mengisolasi informasi dari bintang-bintang yang termasuk dalam struktur yang disebut GD-1. Apa yang dia lihat “sangat menarik,” katanya. “Kami bergegas untuk menulis makalah sekitar minggu depan.”

GD-1 adalah aliran bintang, rangkaian bintang Bima Sakti yang — jika Anda dapat melihatnya dengan mata telanjang — akan membentang lebih dari separuh langit malam. Bintang-bintang ini telah lama dikeluarkan dari gugus bintang globular; mereka sekarang mengorbit Bima Sakti di kedua sisi gugus itu, terombang-ambing di belakang dan di depan jalurnya seperti pelampung yang menandai saluran antarbintang.

Dalam analisis mereka dari GD-1, tim Bonaca menemukan sidik jari teoritis dari bongkahan materi gelap yang saling tumpang tindih. Secara khusus, bagian dari GD-1 tampak terbelah menjadi dua seolah-olah sebuah benda besar yang tak terlihat telah melakukan kesalahan dalam jalurnya, menarik bintang-bintang di belakangnya. Objek yang melintas tersebut, menurut perhitungan mereka, mungkin merupakan sub-halo materi gelap yang berbobot beberapa juta massa matahari. Hal ini menjadikannya salah satu calon gumpalan materi gelap terkecil, dan potensi ancaman terhadap varian materi gelap hangat yang lebih panas. .

Namun bagaimana mengubah satu temuan menjadi sesuatu yang lebih bersifat statistik? Saat ini, kata Bonaca, para astronom telah mencatat sekitar 100 aliran bintang. Meskipun hanya segelintir yang telah dipelajari secara mendetail, setiap objek yang telah diteliti memiliki kekusutan dan kelengkungan yang tidak biasa yang mungkin disebabkan oleh pertemuan gravitasi dengan benda-benda kecil dan gelap serupa. Namun observasi tersebut belum meyakinkan.

“Saya pikir cara terbaik ke depan adalah dengan menganalisis aliran secara bersamaan,” katanya, “untuk memahami seberapa banyak [fitur-fitur yang tidak biasa] tersebut berasal dari materi gelap.”

Pada skala yang lebih kecil lagi, Walker, di Carnegie Mellon, telah menghabiskan setahun terakhir memindai pengamatan JWST terhadap galaksi kerdil untuk mencari sistem bintang paling rapuh yang dapat ia temukan: bintang-bintang biner yang berjauhan dan disatukan dalam pelukan gravitasi yang longgar. Jika lingkaran cahaya gelap kecil – jenis objek yang menurut model materi gelap dingin jumlahnya banyak – terus-menerus lewat dan memberikan tarikan gravitasi pada lingkungannya, biner yang sangat luas ini seharusnya tidak ada. Namun jika biner lebar benar-benar muncul, hal ini menunjukkan tidak adanya lingkaran cahaya gelap kecil. Hal ini merupakan pukulan telak terhadap banyak model materi gelap dingin yang memprediksinya.

“Ini yang saya sebut anti-pencarian lingkaran cahaya materi gelap subgalaksi,” kata Walker.

Bergerak di Tembok

Pencarian bayangan kosmik masih merupakan bagian kecil dari upaya yang lebih besar untuk menemukan sesuatu yang sejauh ini berada di luar jangkauan. Eksperimen berbasis bumi dirancang untuk menjebak partikel yang sesuai dengan paradigma materi gelap fuzzy, hangat dan dingin; Tim masih mencari ciri-ciri fisika materi gelap lainnya, mulai dari produk sampingan yang dihasilkan jika dan ketika partikel berinteraksi dengan materi normal, hingga pertanyaan halus tentang bagaimana kepadatan materi gelap naik dan turun dalam lingkaran cahaya gelap, yang bergantung pada bagaimana partikel gelap berinteraksi. satu sama lain.

Tracy Slatyer, seorang ahli fisika teoretis di Massachusetts Institute of Technology, memvisualisasikan misteri materi gelap sebagai sebuah kotak luas yang penuh dengan berbagai kemungkinan tetapi hanya memiliki satu jawaban yang benar. Dalam analogi ini, strateginya adalah menggali ide-ide spesifik dan tidak dapat disangkal tentang sifat-sifat partikel materi gelap ke dalam kotak tersebut. Namun, sisi-sisi kotak mewakili satu-satunya fakta terbatas yang dapat diberikan oleh para astronom, seperti batas atas seberapa hangat materi gelap, dan batas bawah seberapa kabur atau ringannya materi gelap.

Jika para astronom dapat dengan percaya diri mendeteksi objek kosmik yang sepenuhnya gelap dalam rentang jutaan massa matahari, hal ini akan menjadi sebuah “tour de force observasional,” kata Slatyer. “Ini akan luar biasa.” Dinding kotaknya akan bergerak ke dalam, mengurangi ruang yang tersedia untuk berbagai kemungkinan.

Teknologi yang akan datang mungkin akan segera mengubah berbagai pencarian ini, yang awalnya merupakan upaya awal dalam kegelapan, menjadi penjelajahan lebih dalam ke dalam struktur gelap yang mendasari alam semesta. JWST akan memperdalam studi tentang lensa gravitasi di tahun-tahun mendatang; Kelompok Nierenberg, misalnya, telah memulai dengan delapan sistem seperti itu tetapi berencana untuk menganalisis 31 sistem di antaranya. Ketika diluncurkan pada tahun 2027, Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman, sebuah observatorium setingkat Hubble dengan bidang pandang yang jauh lebih luas, akan mempermudah penjelajahan galaksi kerdil seperti yang dilakukan Walker. Observatorium Vera C. Rubin, yang namanya diambil dari nama astronom perintis yang observasinya memaksa para peneliti untuk menanggapi misteri materi gelap dengan serius, akan mengungkap lebih banyak detail aliran bintang setelah observasi dimulai dari Chili pada tahun 2024. Bersama-sama, kedua observatorium tersebut akan menghasilkan ribuan lensa gravitasi baru yang dapat dijelajahi untuk mencari substruktur gelap.

Sejauh ini, belum ada pengamatan yang mampu menggulingkan model materi gelap dingin yang populer, yang memperkirakan bahwa alam semesta dipenuhi dengan gumpalan materi yang semakin kecil. Ketika para astronom melanjutkan pekerjaan yang melelahkan untuk menyisir gumpalan tersebut, banyak ahli teori dan eksperimentalis berharap bahwa eksperimen fisika partikel di Bumi akan lebih cepat mengungkap inti misteri. Namun mengungkap kantong-kantong kegelapan yang terisolasi ini – dan segala ilmu fisika rumit yang menyertainya – seperti “mendapatkan laboratorium yang lebih bersih,” kata Slatyer. “Kita berada pada saat yang menyenangkan.”