Ledakan Luar Angkasa Tercerah Mengungkapkan Kemungkinan Petunjuk Materi Gelap

Pada hari Minggu, 9 Oktober, Judith Racusin berada 35,000 kaki di udara, dalam perjalanan ke konferensi astrofisika berenergi tinggi, ketika ledakan kosmik terbesar dalam sejarah terjadi. "Saya mendarat, melihat ponsel saya, dan menerima lusinan pesan," kata Racusin, astrofisikawan di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Maryland. “Itu benar-benar luar biasa.”

Ledakan itu adalah ledakan sinar gamma yang panjang, sebuah peristiwa kosmik di mana bintang sekarat yang masif melepaskan pancaran energi yang kuat saat ia runtuh menjadi lubang hitam atau bintang neutron. Ledakan khusus ini sangat terang sehingga membuat Teleskop Luar Angkasa Fermi Gamma-ray, sebuah teleskop NASA yang mengorbit, yang sebagian dirancang untuk mengamati peristiwa semacam itu, membuat terlalu jenuh. "Ada begitu banyak foton per detik sehingga mereka tidak bisa mengikutinya," kata Andrew Levan, seorang astrofisikawan di Radboud University di Belanda. Ledakan itu bahkan tampaknya telah menyebabkan ionosfer Bumi, lapisan atas atmosfer Bumi, untuk membengkak dalam ukuran selama beberapa jam. “Fakta bahwa Anda dapat mengubah ionosfer Bumi dari sebuah objek di tengah alam semesta sangat luar biasa,” kata Doug Welch, seorang astronom di McMaster University di Kanada.

Para astronom dengan genit menyebutnya BOAT - "paling terang sepanjang masa" - dan mulai memerasnya untuk mendapatkan informasi tentang ledakan sinar gamma dan kosmos secara lebih umum. “Bahkan 10 tahun dari sekarang akan ada pemahaman baru dari kumpulan data ini,” kata Eric Terbakar, seorang astrofisikawan di Louisiana State University. "Masih belum cukup mengejutkan saya bahwa ini benar-benar terjadi."

Analisis awal menunjukkan bahwa ada dua alasan mengapa BOAT begitu cerah. Pertama, itu terjadi sekitar 2.4 miliar tahun cahaya dari Bumi — cukup dekat untuk ledakan sinar gamma (meskipun jauh di luar galaksi kita). Kemungkinan juga jet kuat BOAT diarahkan ke kita. Kedua faktor tersebut digabungkan untuk membuat jenis peristiwa yang terjadi hanya sekali setiap beberapa ratus tahun.

Mungkin pengamatan yang paling penting terjadi di Cina. Di provinsi Sichuan, Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) melacak partikel berenergi tinggi dari luar angkasa. Dalam sejarah astronomi ledakan sinar gamma, para peneliti hanya melihat beberapa ratus foton berenergi tinggi yang berasal dari objek-objek ini. LHAASO melihat 5,000 dari acara yang satu ini. “Ledakan sinar gamma pada dasarnya meledak di langit tepat di atas mereka,” kata Silvia Zhu, seorang astrofisikawan di German Electron Synchrotron (DESY) di Hamburg.

Di antara deteksi tersebut adalah foton berenergi tinggi yang dicurigai pada 18 teraelectron volts (TeV) — empat kali lebih tinggi dari apa pun yang terlihat dari ledakan sinar gamma sebelumnya dan lebih energik daripada energi tertinggi yang dapat dicapai oleh Large Hadron Collider. Foton berenergi tinggi seperti itu seharusnya hilang dalam perjalanan ke Bumi, diserap oleh interaksi dengan cahaya latar alam semesta.

Jadi bagaimana itu sampai di sini? Satu kemungkinan adalah bahwa, setelah ledakan sinar gamma, foton berenergi tinggi diubah menjadi partikel mirip-aksi. aksion adalah partikel ringan yang dihipotesiskan bahwa dapat menjelaskan materi gelap; partikel seperti axion dianggap sedikit lebih kuat. Foton berenergi tinggi bisa jadi diubah menjadi partikel seperti itu oleh medan magnet yang kuat, seperti yang ada di sekitar bintang yang meledak. Partikel seperti axion kemudian akan melakukan perjalanan melintasi luasnya ruang tanpa hambatan. Saat tiba di galaksi kita, medan magnet akan mengubahnya kembali menjadi foton, yang kemudian akan menuju ke Bumi.

Dalam seminggu setelah deteksi awal, beberapa tim ahli astrofisika menyarankan mekanisme ini dalam makalah yang diunggah ke situs pracetak ilmiah arxiv.org. “Ini akan menjadi penemuan yang sangat luar biasa,” kata Giorgio Galanti, astrofisikawan di National Institute for Astrophysics (INAF) di Italia, yang ikut menulis salah satu pertama dari makalah ini.

Namun peneliti lain bertanya-tanya apakah deteksi LHAASO mungkin merupakan kasus kesalahan identitas. Mungkin foton berenergi tinggi itu berasal dari tempat lain, dan waktu kedatangannya yang tepat hanyalah sebuah kebetulan. “Saya sangat skeptis,” kata Milena Crnogorčević, seorang astrofisikawan di Universitas Maryland. "Saya saat ini condong ke arah itu menjadi acara latar belakang." (Untuk lebih memperumit masalah, sebuah observatorium Rusia melaporkan dihantam oleh foton 251 TeV berenergi lebih tinggi yang datang dari ledakan. Tapi "juri masih belum tahu" tentang itu, kata Racusin, wakil ilmuwan proyek di teleskop Fermi. “Saya agak skeptis.”)

Sejauh ini tim LHAASO belum merilis detail hasil pengamatan mereka. Burns, yang mengoordinasikan kolaborasi global untuk mempelajari BOAT, berharap mereka melakukannya. "Saya sangat penasaran untuk melihat apa yang mereka miliki," katanya. Tapi dia mengerti mengapa tingkat kewaspadaan mungkin diperlukan. “Jika saya menggunakan data yang bahkan memiliki beberapa persen peluang untuk mendefinisikan bukti materi gelap, saya akan sangat berhati-hati saat ini,” kata Burns. Jika foton dapat dikaitkan dengan BOAT, “kemungkinan besar itu akan menjadi bukti fisika baru, dan berpotensi materi gelap,” kata Crnogorčevi. Tim LHAASO tidak menanggapi permintaan komentar.

Bahkan tanpa data LHAASO, jumlah cahaya yang terlihat dari peristiwa tersebut dapat memungkinkan para ilmuwan untuk menjawab beberapa pertanyaan terbesar tentang ledakan sinar gamma, termasuk teka-teki besar tentang jet itu sendiri. “Bagaimana jet diluncurkan? Apa yang terjadi di dalam jet saat menyebar ke luar angkasa?” dikatakan Tyler Parsotan, seorang astrofisikawan di Goddard. "Itu benar-benar pertanyaan besar."

Ahli astrofisika lain berharap menggunakan BOAT untuk memastikan mengapa hanya beberapa bintang yang menghasilkan ledakan sinar gamma saat mereka menjadi supernova. “Itu adalah salah satu misteri besar,” kata Yvette Cendes, seorang astronom di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “Itu harus menjadi bintang yang sangat masif. Galaksi seperti kita mungkin setiap juta tahun akan menghasilkan ledakan sinar gamma. Mengapa populasi langka seperti itu membuat ledakan sinar gamma?”

Apakah ledakan sinar gamma menghasilkan lubang hitam atau bintang neutron di inti bintang yang runtuh juga merupakan pertanyaan terbuka. Analisis awal BOAT menunjukkan bahwa yang pertama terjadi dalam kasus ini. “Ada begitu banyak energi di dalam jet sehingga pada dasarnya pasti ada lubang hitam,” kata Burns.

Yang pasti adalah bahwa ini adalah peristiwa kosmik yang tidak akan terhalang selama banyak, banyak kehidupan. "Kita semua akan lama mati sebelum mendapat kesempatan untuk melakukan ini lagi," kata Burns.