Sinar-X Baru Mengungkap Alam Semesta Segumpal yang Diprediksi Kosmologi | Majalah Kuanta

Gugusan ratusan atau ribuan galaksi berada di persimpangan filamen materi raksasa yang saling bersilangan yang membentuk permadani kosmos. Saat gravitasi menarik segala sesuatu di setiap gugus galaksi menuju pusatnya, gas yang mengisi ruang antar galaksi akan terkompresi, menyebabkannya memanas dan bersinar dalam sinar-X.

Teleskop sinar-X eRosita, yang diluncurkan ke luar angkasa pada tahun 2019, menghabiskan lebih dari dua tahun mengumpulkan ping cahaya berenergi tinggi dari seluruh langit. Data tersebut memungkinkan para ilmuwan memetakan lokasi dan ukuran ribuan gugus galaksi, dua pertiganya belum diketahui sebelumnya. Di dalam sekumpulan kertas diposting online pada 14 Februari yang akan muncul di jurnal Astronomi & Astrofisika, para ilmuwan menggunakan katalog awal cluster mereka untuk mempertimbangkan beberapa pertanyaan besar kosmologi.

Hasilnya mencakup perkiraan baru mengenai kegumpalan kosmos – karakteristik yang banyak dibicarakan akhir-akhir ini, karena pengukuran lain baru-baru ini menemukan bahwa alam semesta ternyata sangat halus — dan terdiri dari massa partikel mirip hantu yang disebut neutrino dan merupakan salah satu sifat utama energi gelap, energi tolak misterius yang mempercepat perluasan alam semesta.

Model alam semesta yang digunakan para kosmolog mengidentifikasi energi gelap sebagai energi ruang itu sendiri dan mematoknya pada 70% isi alam semesta. Seperempat selanjutnya dari alam semesta adalah materi gelap yang tidak terlihat, dan 5% adalah materi biasa dan radiasi. Semua itu berevolusi di bawah pengaruh gaya gravitasi. Namun beberapa pengamatan dari dekade terakhir menentang “model standar” kosmologi ini, sehingga meningkatkan kemungkinan bahwa model tersebut kehilangan bahan atau efek yang dapat mengantarkan pada pemahaman yang lebih dalam.

Sebaliknya, pengamatan eRosita memperkuat gambaran yang ada dalam segala hal. “Ini merupakan konfirmasi yang luar biasa dari model standar,” katanya Dragan Huterer, seorang kosmolog di Universitas Michigan yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Sinar-X Kosmos

Setelah Big Bang, variasi kepadatan halus di alam semesta yang baru lahir secara bertahap menjadi lebih jelas seiring partikel-partikel materi saling bertumbukan. Gumpalan yang lebih padat menarik lebih banyak material dan bertambah besar. Saat ini, gugus galaksi adalah struktur terikat gravitasi terbesar di alam semesta. Menentukan ukuran dan distribusinya memungkinkan para kosmolog menguji model mereka tentang bagaimana alam semesta berevolusi.

Untuk menemukan cluster, tim eRosita melatih algoritma komputer untuk mencari sumber sinar-X yang “sangat halus” dibandingkan dengan objek yang mirip titik, kata Esra Bulbul dari Institut Max Planck untuk Fisika Luar Angkasa di Garching, Jerman, yang memimpin observasi cluster eRosita. Mereka mempersempit daftar kandidat menjadi “sampel yang sangat murni,” katanya, dari 5,259 gugus galaksi, dari hampir 1 juta sumber sinar-X yang terdeteksi teleskop.

Mereka kemudian harus mencari tahu seberapa berat cluster tersebut. Benda-benda besar membengkokkan struktur ruang-waktu, mengubah arah cahaya yang lewat dan membuat sumber cahaya tampak terdistorsi – sebuah fenomena yang disebut pelensaan gravitasi. Para ilmuwan eRosita dapat menghitung massa dari 5,259 cluster mereka berdasarkan pelensaan galaksi-galaksi jauh yang berada di belakang mereka. Meskipun hanya sepertiga dari gugus mereka yang mengetahui latar belakang galaksi yang berbaris seperti ini, para ilmuwan menemukan bahwa massa gugus tersebut berkorelasi kuat dengan kecerahan sinar-X mereka. Karena korelasi yang kuat ini, mereka dapat menggunakan kecerahan untuk memperkirakan massa cluster yang tersisa.

Mereka kemudian memasukkan informasi massa ke dalam simulasi komputer tentang evolusi kosmos untuk menyimpulkan nilai parameter kosmik.

Mengukur Kekenyalan

Salah satu hal yang menarik adalah “faktor penggumpalan” alam semesta, S₈. Sebuah S₈ nilai nol akan mewakili ketiadaan kosmik yang luas, mirip dengan dataran datar tanpa ada batu yang terlihat. Sebuah S₈ nilai yang mendekati 1 berarti pegunungan terjal yang menjulang di atas lembah yang dalam. Para ilmuwan telah memperkirakan S₈ berdasarkan pengukuran latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) — cahaya kuno yang berasal dari alam semesta awal. Dengan mengekstrapolasi variasi kepadatan awal kosmos, para peneliti memperkirakan arusnya S₈ nilainya menjadi 0.83.

Tapi Penelitian terkini melihat galaksi-galaksi saat ini memiliki nilai terukur 8% hingga 10% lebih rendah, yang menyiratkan bahwa alam semesta mulus secara tak terduga. Perbedaan tersebut telah menggugah minat para kosmolog, dan berpotensi menunjukkan adanya retakan pada model kosmologis standar.

Namun tim eRosita tidak menemukan perbedaan tersebut. “Hasil kami pada dasarnya sejalan dengan prediksi sejak awal, dari CMB,” ujarnya Vittorio Ghirardini, yang memimpin analisis. Dia dan rekan-rekannya menghitung S₈ dari 0.85.

Beberapa anggota tim kecewa, kata Ghirardini, karena mengisyaratkan bahan-bahan yang hilang merupakan prospek yang lebih menarik daripada mencocokkan teori yang sudah diketahui.

S₈ nilai yang sedikit lebih tinggi dari perkiraan CMB kemungkinan akan memicu lebih banyak analisis dari tim lain, katanya Gerrit Schellenberger, seorang ahli astrofisika yang mempelajari gugus galaksi di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian. “Saya yakin ini mungkin bukan makalah terakhir yang kita lihat mengenai topik tersebut.”

Menimbang Neutrino

Banyak sekali neutrino yang terbentuk di alam semesta awal – hampir sama jumlahnya dengan foton (partikel cahaya), kata Marilena Kekasih, seorang kosmolog di Universitas Washington. Namun fisikawan mengetahui bahwa neutrino, tidak seperti foton, harus mempunyai massa yang sangat kecil karena cara mereka berosilasi di antara tiga jenis. Partikel-partikel tersebut tidak memperoleh massa melalui mekanisme yang sama seperti partikel elementer lainnya, sehingga massanya masih menjadi misteri yang banyak dipelajari. Dan pertanyaan pertama adalah seberapa besar sebenarnya mereka.

Ahli kosmologi dapat memperkirakan massa neutrino dengan mempelajari pengaruhnya terhadap struktur kosmos. Neutrino bergerak hampir dengan kecepatan cahaya dan melewati materi lain alih-alih meluncur ke atasnya. Jadi kehadiran mereka di kosmos telah melemahkan kegumpalannya. “Semakin banyak massa yang Anda masukkan ke dalam neutrino, semakin banyak pula massa yang halus pada skala [besar] tersebut,” kata Loverde.

Menggabungkan pengukuran cluster galaksi dengan pengukuran CMB, tim eRosita memperkirakan bahwa jumlah massa ketiga jenis neutrino tidak lebih dari 0.11 elektron volt (eV), atau kurang dari sepersejuta massa elektron. Eksperimen neutrino lain telah melakukannya menetapkan batas bawah, menunjukkan bahwa ketiga massa neutrino harus berjumlah setidaknya 0.06 eV (untuk satu kemungkinan urutan ketiga nilai massa) atau 0.1 eV (untuk urutan terbalik). Ketika jarak antara batas atas dan bawah menyusut, para ilmuwan semakin dekat untuk menentukan dengan tepat nilai massa neutrino. “Kami sebenarnya berada di ambang terobosan,” kata Bulbul. Dalam rilis data berikutnya, tim eRosita dapat menekan batas atas untuk mengesampingkan model massa neutrino orde terbalik.

Diperlukan kehati-hatian. Partikel cepat dan ringan lainnya yang mungkin ada — seperti aksion, partikel hipotetis yang diusulkan sebagai kandidat materi gelap — akan memiliki efek yang sama pada pembentukan struktur. Dan mereka akan menimbulkan kesalahan dalam pengukuran massa neutrino.

Melacak Energi Gelap

Pengukuran gugus galaksi tidak hanya dapat mengungkap bagaimana struktur tumbuh, namun juga bagaimana pertumbuhannya dihambat oleh energi gelap – lapisan tipis energi tolak-menolak yang menembus ruang, mempercepat perluasan ruang dan dengan demikian memisahkan materi.

Jika energi gelap adalah energi ruang itu sendiri, seperti asumsi model standar kosmologi, maka energi gelap akan memiliki kepadatan yang konstan di seluruh ruang dan waktu (itulah sebabnya terkadang disebut sebagai konstanta kosmologis). Namun jika kepadatannya malah menurun seiring berjalannya waktu, berarti itu adalah sesuatu yang lain. “Itulah pertanyaan terbesar yang dimiliki kosmologi,” kata Sebastian Grandis, anggota tim eRosita di Universitas Innsbruck di Austria.

Dari peta ribuan cluster, para peneliti menemukan bahwa energi gelap cocok dengan profil konstanta kosmologis, meskipun pengukuran mereka memiliki ketidakpastian 10%, sehingga kepadatan energi gelap yang sedikit bervariasi masih mungkin terjadi.

Awalnya, eRosita, yang berada di pesawat ruang angkasa Rusia, akan melakukan delapan survei langit penuh, namun pada Februari 2022, beberapa minggu setelah teleskop memulai survei kelimanya, Rusia menginvasi Ukraina. Sebagai tanggapan, pihak kolaborasi Jerman, yang mengoperasikan dan menjalankan eRosita, mengalihkan teleskop ke mode aman, menghentikan semua pengamatan ilmiah.

Makalah awal ini diambil dari data enam bulan pertama saja. Kelompok Jerman ini memperkirakan akan menemukan gugus galaksi empat kali lebih banyak dalam 1.5 tahun pengamatan tambahan, yang akan memungkinkan semua parameter kosmologis ini ditentukan dengan lebih akurat. “Kosmologi cluster bisa menjadi penyelidikan kosmologi yang paling sensitif selain CMB,” katanya Anja von der Linden, seorang astrofisikawan di Stony Brook University.

Hasil awal mereka menunjukkan kekuatan sumber informasi yang relatif belum dimanfaatkan. “Kami adalah anak baru di dunia ini,” kata Grandis.