Di Bintang Bima Sakti, Sejarah Kekerasan | Majalah Kuanta

Menjelang sore tanggal 5 Oktober 1923, Edwin Hubble duduk di depan lensa mata teleskop Hooker di Observatorium Mount Wilson, di puncak pegunungan yang menghadap ke cekungan Los Angeles. Dia sedang mengamati suatu objek di langit utara. Jika dilihat dengan mata telanjang, itu terlihat seperti noda samar. Namun melalui teleskop, ia menajam menjadi elips cemerlang yang disebut Nebula Andromeda. Untuk menyelesaikan perdebatan tentang ukuran Bima Sakti – yang kemudian dianggap sebagai seluruh alam semesta – Hubble perlu menentukan jarak Andromeda dari kita.

Dalam bidang pandang teleskop, Andromeda adalah seorang raksasa. Hubble dengan sabar menangkap beberapa eksposur yang menutupi banyak pelat fotografi kaca, dan pada dini hari tanggal 6 Oktober, ia mengambil eksposur 45 menit pada pelat kaca kecil dan menulis “N” di mana ia melihat tiga bintang baru, atau nova. Namun ketika dia membandingkan gambarnya dengan foto yang diambil oleh astronom lain, dia menyadari bahwa salah satu nova barunya sebenarnya adalah bintang variabel Cepheid – sejenis bintang yang dapat digunakan untuk mengukur jarak astronomi.

Dia mencoret satu huruf “N” dan menulis “VAR!”

Hubble menggunakan bintang yang berdenyut ini untuk menghitung bahwa Andromeda berjarak 1 juta tahun cahaya dari Bumi, jarak yang jauh lebih besar daripada diameter Bima Sakti (jaraknya sedikit melenceng; Andromeda berjarak sekitar 2.5 juta tahun cahaya). Dan dia menyadari bahwa Andromeda bukan sekadar nebula, melainkan keseluruhan “pulau alam semesta” — sebuah galaksi yang berbeda dari galaksi kita.

Dengan terbelahnya kosmos menjadi sebuah galaksi asal dan alam semesta yang lebih besar, studi tentang rumah kita yang terbatas – dan bagaimana ia ada di dalam alam semesta tersebut – dapat dimulai dengan sungguh-sungguh. Kini, satu abad kemudian, para astronom masih membuat penemuan tak terduga tentang satu-satunya pulau kosmik yang pernah kita huni. Mereka mungkin dapat menjelaskan beberapa karakteristik Bima Sakti dengan membayangkan kembali bagaimana ia terbentuk dan tumbuh di alam semesta awal, dengan mengamati bentuknya yang tidak rata, dan dengan mempelajari kemampuannya membentuk planet. Hasil terkini, yang dikumpulkan selama empat tahun terakhir, kini melukiskan gambaran rumah kita sebagai tempat yang unik, pada waktu yang unik.

Tampaknya, kita beruntung tinggal di dekat bintang yang sangat sunyi di pinggiran tenang galaksi setengah baya, dengan kemiringan yang aneh dan berputar secara longgar, yang sebagian besar dibiarkan begitu saja selama sebagian besar keberadaannya.

Pulau Alam Semesta Kita

Dari permukaan bumi – jika Anda berada di tempat yang sangat gelap – Anda hanya dapat melihat garis terang dari piringan galaksi Bima Sakti, dari tepinya. Namun galaksi tempat kita tinggal jauh lebih rumit.

Sebuah lubang hitam supermasif berputar di pusatnya, dikelilingi oleh “tonjolan”, yaitu kumpulan bintang yang berisi beberapa penghuni bintang tertua di galaksi. Berikutnya adalah “cakram tipis” – struktur yang dapat kita lihat – tempat sebagian besar bintang di Bima Sakti, termasuk matahari, terbagi menjadi lengan spiral raksasa. Cakram tipis tersebut terbungkus dalam “cakram tebal” yang lebih luas, yang berisi bintang-bintang tua yang lebih tersebar. Akhirnya, lingkaran cahaya yang sebagian besar berbentuk bola mengelilingi struktur ini; sebagian besar terbuat dari materi gelap, tetapi juga mengandung bintang dan gas panas yang tersebar.

Untuk membuat peta struktur ini, para astronom beralih ke masing-masing bintang. Komposisi setiap bintang mencatat tempat lahir, usia, dan faktor kelahirannya, sehingga mempelajari cahaya bintang memungkinkan terbentuknya kartografi galaksi – serta silsilah. Dengan menempatkan bintang-bintang pada waktu dan tempatnya, para astronom dapat menelusuri kembali sejarah dan menyimpulkan bagaimana Bima Sakti terbentuk, sepotong demi sepotong, selama miliaran tahun.

Upaya besar pertama untuk mempelajari pembentukan primordial Bima Sakti dimulai pada tahun 1960an, ketika Olin Eggen, Donald Lynden-Bell dan Alan Sandage, yang merupakan mantan mahasiswa pascasarjana Edwin Hubble, berpendapat bahwa galaksi tersebut runtuh akibat awan gas yang berputar. Lama setelah itu, para astronom mengira bahwa struktur pertama yang muncul di galaksi kita adalah halo, diikuti oleh piringan bintang yang terang dan padat. Seiring dengan semakin banyaknya teleskop canggih yang tersedia, para astronom membuat peta yang semakin akurat dan mulai menyempurnakan gagasan mereka tentang bagaimana galaksi terbentuk.

Segalanya berubah pada tahun 2016, ketika data pertama dari satelit Gaia Badan Antariksa Eropa kembali ke Bumi. Gaia secara tepat mengukur jalur jutaan bintang di seluruh galaksi, memungkinkan para astronom mengetahui di mana bintang-bintang tersebut berada, bagaimana mereka bergerak di ruang angkasa, dan seberapa cepat mereka melaju. Dengan Gaia, para astronom dapat memberikan gambaran yang lebih tajam tentang Bima Sakti – yang mengungkapkan banyak kejutan.

Tonjolan tersebut tidak berbentuk bola melainkan berbentuk kacang, dan merupakan bagian dari batang lebih besar yang membentang di tengah galaksi kita. Galaksi itu sendiri melengkung seperti pinggiran topi koboi yang sudah usang. Cakram tebal tersebut juga melebar, semakin menebal ke arah tepinya, dan mungkin terbentuk sebelum lingkaran cahaya. Para astronom bahkan tidak yakin berapa banyak lengan spiral yang sebenarnya dimiliki galaksi.

Peta alam semesta pulau kita tidak serapi kelihatannya. Juga tidak setenang itu.

“Jika Anda melihat gambar tradisional Bima Sakti, Anda memiliki lingkaran cahaya bulat yang bagus dan piringan yang terlihat biasa saja, dan semuanya tampak tenang dan tidak bergerak. Tapi yang kita tahu sekarang adalah galaksi ini berada dalam kondisi disekuilibrium,” ujarnya Charlie Conroy, seorang astronom di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian. “Gambaran sederhana dan tertata dengan baik telah benar-benar dibuang dalam beberapa tahun terakhir.”

Peta Baru Bima Sakti

Tiga tahun setelah Edwin Hubble menyadari Andromeda adalah sebuah galaksi tersendiri, dia dan astronom lainnya sibuk mencitrakan dan mengklasifikasikan ratusan pulau alam semesta. Galaksi-galaksi tersebut tampaknya ada dalam beberapa bentuk dan ukuran umum, sehingga Hubble mengembangkan skema klasifikasi dasar yang dikenal sebagai diagram garpu tala: Diagram ini membagi galaksi menjadi dua kategori, elips dan spiral.

Para astronom masih menggunakan skema ini untuk mengkategorikan galaksi, termasuk galaksi kita. Saat ini, Bima Sakti berbentuk spiral, dengan lengan-lengan yang menjadi tempat berkembang biaknya bintang-bintang (dan juga planet-planet). Selama setengah abad, para astronom mengira ada empat lengan utama – lengan Sagitarius, Orion, Perseus, dan Cygnus (kita hidup di cabang yang lebih kecil, yang secara tidak imajinatif disebut Lengan Lokal). Namun pengukuran baru terhadap bintang-bintang super raksasa dan objek-objek lain memberikan gambaran yang berbeda, dan para astronom tidak lagi sepakat mengenai jumlah lengan atau ukurannya, atau bahkan apakah galaksi kita merupakan galaksi yang aneh di antara pulau-pulaunya.

“Yang mengejutkan, hampir tidak ada galaksi luar yang memiliki empat spiral yang membentang dari pusat hingga wilayah terluarnya,” Xu Ye, seorang astronom dari Observatorium Gunung Ungu Tiongkok, mengatakan melalui email.

Untuk menelusuri lengan spiral Bima Sakti, Ye dan rekannya menggunakan Gaia dan teleskop radio berbasis darat untuk mencari bintang-bintang muda. Mereka menemukan bahwa, seperti galaksi spiral lainnya, Bima Sakti hanya memiliki dua lengan utama, Perseus dan Norma. Beberapa lengan yang panjang dan tidak beraturan juga melingkari intinya, termasuk lengan Centaurus, Sagitarius, Carina, Luar, dan Lokal. Tampaknya, setidaknya dalam bentuk, Bima Sakti mungkin lebih mirip dengan pulau-pulau kosmik jauh daripada yang diperkirakan para astronom.

“Mempelajari Bima Sakti yang berbentuk spiral dapat mengungkap apakah galaksi tersebut unik di antara miliaran galaksi di alam semesta yang dapat diamati,” tulis Ye.

Pantai Kosmik

Studi Hubble tentang Andromeda dan bintang variabelnya bermula dari persaingan sengitnya dengan astronom terkenal lainnya di Mount Wilson, Harlow Shapley. Astronom Harvard Henrietta Swan Leavitt telah memelopori penggunaan bintang variabel Cepheid untuk mengukur jarak, dan dengan menggunakan metodenya, Shapley telah menghitung bahwa Bima Sakti berukuran 300,000 tahun cahaya — sebuah klaim yang mencengangkan pada tahun 1919, ketika sebagian besar astronom percaya bahwa matahari adalah matahari. di pusat galaksi, dan seluruh galaksi terbentang 3,000 tahun cahaya. Shapley kemudian menegaskan bahwa “nebula spiral” lainnya pastilah awan gas dan bukan galaksi yang terpisah, karena ukurannya berarti jaraknya sangat jauh.

Hubble kemudian menuliskan pengukuran variabel bintangnya dan meyakinkan semua orang bahwa Andromeda memang merupakan galaksi yang terpisah. “Inilah surat yang menghancurkan alam semesta saya,” kata Shapley setelah melihat data Hubble.

Namun, dalam hal jarak astronomis, Shapley mungkin tidak terlalu jauh. Pada abad berikutnya, para astronom telah menghitung bahwa tonjolan Bima Sakti berukuran sekitar 12,000 tahun cahaya, piringan tersebut membentang sepanjang 120,000 tahun cahaya, dan lingkaran materi gelap serta gugus bintang kuno membentang hingga ratusan ribu tahun cahaya. segala arah.

Pengamatan baru-baru ini menemukan bahwa beberapa bintang halo tersebar sejauh 1 juta tahun cahaya — di tengah-tengah Andromeda — yang menunjukkan bahwa halo, dan juga galaksi, bukanlah sebuah pulau semesta tersendiri.

Para astronom dipimpin oleh Jesse Han, seorang mahasiswa pascasarjana di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, baru-baru ini menetapkan bahwa lingkaran cahaya bintang tidak berbentuk bola, seperti yang selama ini diasumsikan, tetapi berbentuk seperti bola. Sedang bekerja diterbitkan pada 14 September, Han dan timnya juga menunjukkan bahwa halo materi gelap mungkin miring sekitar 25 derajat, menyebabkan seluruh galaksi terlihat melengkung.

Meskipun hal ini mungkin tampak cukup aneh, kemiringan itu sendiri mungkin merupakan bukti masa lalu Bima Sakti yang penuh kekerasan.

Gangguan di Galaksi

Ribuan tahun sebelum Hubble berada di depan lensa mata, berabad-abad sebelum matahari lahir, jauh sebelum Bima Sakti ada, Big Bang merenggut semua materi dan menyebarkannya tanpa pandang bulu ke seluruh kosmos yang baru lahir. Galaksi-galaksi pertama akhirnya terbentuk dari serpihan-serpihan sampah acak, memulai rangkaian 13 miliar tahun yang mengarah ke kita. Para astronom memperdebatkan seluk-beluk bagaimana peristiwa tersebut terjadi, namun mereka tahu bahwa galaksi yang kita tinggali sekarang tumbuh melalui proses kompleks yang mencakup merger dan akuisisi.

Di seluruh alam semesta, galaksi-galaksi bertabrakan dan bergabung dalam bencana yang sangat besar. Teleskop yang diberi nama Edwin Hubble menangkap tumpukan kosmik ini sepanjang waktu. Meskipun saat ini kondisinya relatif tenang, Bima Sakti tidak terkecuali: Dengan menyaring catatan arkeologis yang disimpan oleh bintang-bintang, aliran gas, gugus bola yang terdiri dari ribuan hingga jutaan bintang, dan bahkan bayangan galaksi katai yang ditelan, para ilmuwan mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana Bima Sakti berevolusi.

Petunjuk pertama terjadinya kekerasan muncul ketika para astronom yang mengintip melalui teleskop berukuran 200 inci di Observatorium Palomar (yang pertama kali digunakan oleh Hubble) menemukan bukti pada tahun 1992 bahwa Bima Sakti sedang mengoyak beberapa gugus bola di lingkaran cahayanya. Sloan Digital Sky Survey mengkonfirmasi pengamatan tersebut, dan teleskop radio kemudian menemukan bahwa galaksi juga sedang menghirup aliran gas di dekatnya.

Pada pertengahan tahun 2018, para astronom memperkirakan bahwa Bima Sakti telah menyatu dengan beberapa galaksi kecil sepanjang masa hidupnya, namun sebagian besar di antaranya merupakan peristiwa kecil. Penggabungan terbesar baru-baru ini, 10 miliar tahun yang lalu, diperkirakan melibatkan Galaksi Elips Katai Sagitarius, yang menyumbangkan aliran gas dan kelompok bintang ke halo bintang Bima Sakti. Namun para astronom tidak sepenuhnya memahami objek-objek ini sampai satelit Gaia merilis kumpulan data keduanya pada tahun 2018.

Ketika para astronom meneliti secara rinci pergerakan dan posisi sekitar satu miliar bintang, tanda-tanda gangguan besar di galaksi muncul – mereka melihat puing-puing galaksi di lingkaran cahaya. Di sana, beberapa bintang mengorbit pada sudut ekstrem dan memiliki komposisi berbeda dibandingkan bintang lain, sehingga menunjukkan bahwa bintang tersebut berasal dari tempat lain.

Para astronom menganggap bintang-bintang aneh ini sebagai bukti tabrakan besar antara Bima Sakti dan galaksi lain. Penggabungan tersebut, yang mungkin terjadi antara 8 miliar dan 11 miliar tahun yang lalu, akan sangat mengganggu galaksi muda Bima Sakti, mencabik-cabik galaksi lain, dan memicu badai pembentukan bintang baru.

Sisa-sisa galaksi yang bertabrakan sekarang disebut Gaia-Sausage-Enceladus, hasil dari dua tim yang secara independen menemukan sisa-sisa penggabungan tersebut. Satu tim menamainya dengan nama dewa Yunani Gaia, ibu purba Bumi dan semua kehidupan, dan putranya Enceladus. Yang lain memperhatikan bahwa sisa-sisanya tampak seperti sosis. (Beberapa astronom perselisihan bahwa galaksi yang masuk adalah satu-satunya galaksi yang terlibat, hal ini menunjukkan bahwa banyak tabrakan kecil dalam periode yang lebih lama dapat menghasilkan struktur yang kita lihat sekarang.)

Penggabungan tersebut mengubah segalanya: jalur lingkaran cahaya Bima Sakti, tonjolan bagian dalam, dan piringan pipih.

Kini, para astronom menggunakan berbagai alat untuk memahami waktu terjadinya tabrakan Gaia-Sosis-Enceladus dan bagaimana bayi Bima Sakti tumbuh sebagai hasilnya.

Pada bulan Maret 2022, Maosheng Xiang dan Hans-Walter Rix dari Institut Astronomi Max Planck memulai dengan mendefinisikan Bima Sakti 1.0, proto-galaksi yang ada sebelum penggabungan apa pun. Mereka melakukan ini dengan menggunakan kuno bintang subraksasa yang lebih kecil dari matahari, dan telah menggunakan bahan bakar hidrogennya dan kini semakin membengkak. Kecerahan bintang sub-raksasa sesuai dengan usianya, dan cahayanya berfungsi sebagai sidik jari materi kelahirannya. Ketika Xiang dan Rix menggunakan petunjuk tersebut untuk menyimpulkan sejarah migrasi seperempat juta bintang subraksasa, mereka menemukan bahwa piringan tebal tersebut terbentuk lebih awal dari yang diperkirakan dalam teori pembentukan galaksi – 13 miliar tahun yang lalu, hampir dalam sekejap mata setelah Big Bang. .

Teori kosmologi populer menyatakan bahwa struktur sebesar dan terdefinisi dengan baik seharusnya membutuhkan waktu lebih lama untuk terbentuk setelah Big Bang. Namun mereka terus di crop dalam pengamatan James Webb Space Telescope terhadap galaksi jauh, kata Rosemary Wyse, seorang astrofisikawan di Universitas Johns Hopkins.

“Anda dapat menghubungkan bagaimana kita berpikir galaksi kita terbentuk dengan apa yang dilihat JWST. Bisakah kita mendapatkan gambaran yang koheren tentang bagaimana sebuah galaksi terbentuk? Apakah galaksi kita tipikal?” dia berkata.

Cakram tebal mungkin sudah ada sebelum penggabungan utama, namun cakram tipis bertepatan dengan kedatangan Gaia-Sausage-Enceladus, ditemukan Xiang dan Rix. Proses perakitan dua arah ini, yang menghasilkan piringan bintang yang berbeda, mungkin merupakan hal yang umum dan sangat penting dalam memicu pembentukan bintang. Angka kelahiran telah menurun sejak kegilaan itu, namun Bima Sakti masih menghasilkan sekitar 10 hingga 20 bintang baru setiap tahunnya.

Yuxi (Lucy) Lu, yang baru saja pindah dari Universitas Columbia ke Museum Sejarah Alam Amerika, ingin memahami sejarah piringan galaksi dan perubahannya seiring waktu. Untuk melakukan hal tersebut, ia mempelajari bagaimana perubahan kimia selama masa hidup bintang dapat membantu mengidentifikasi lokasi kelahirannya. Dia fokus pada bintang subraksasa yang bengkak dan serupa, dan dalam karya terbarunya yang belum dipublikasikan, dia menemukan bahwa subraksasa kaya logam – bintang yang memiliki banyak unsur lebih berat dari helium – mulai tumbuh pesat sekitar saat penggabungan Gaia-Sausage-Enceladus, antara 11 miliar dan 8 miliar tahun yang lalu.

Bukti Gaia-Sausage-Enceladus terus menumpuk. Namun yang masih belum dipahami oleh para astronom adalah mengapa keadaan menjadi tenang sejak saat itu. Sejarah kimia dan sejarah struktur Bima Sakti nampaknya tidak biasa, kata Lu.

Andromeda, misalnya, memiliki sejarah yang jauh lebih penuh kekerasan dibandingkan Bima Sakti. Akan aneh jika galaksi kita dibiarkan sendirian begitu lama, mengingat sejarah galaksi lain dan model kosmologis yang berlaku yang mengatakan bahwa galaksi tumbuh dengan saling bertabrakan, kata Wyse. “Sejarah penggabungannya tidak biasa, dan sejarah perakitannya. Apakah kita benar-benar tidak biasa di alam semesta… menurut saya masih menjadi pertanyaan terbuka,” katanya.

Lahirnya Pulau Baru

Bahkan ketika para astronom mengumpulkan masa lalu galaksi, yang lain sedang mempelajari bagaimana lingkungan galaksi mungkin berbeda satu sama lain seperti halnya kota dan pinggiran kota – sebuah kemungkinan yang menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana planet (dan mungkin kehidupan) tersebar di seluruh galaksi.

Di sini, di sekitar satu bintang tertentu di Lengan Lokal, delapan planet terbentuk mengelilingi matahari — empat planet berbatu dan empat planet gas. Tapi senjata lain mungkin berbeda. Lingkungan tersebut mungkin menghasilkan populasi bintang dan planet yang berbeda dengan cara yang sama seperti flora dan fauna khusus berevolusi di benua dengan biosfer berbeda.

“Mungkin kehidupan hanya bisa muncul di galaksi yang sangat sunyi. Mungkin kehidupan hanya bisa muncul di sekitar bintang yang sangat sunyi,” ujarnya Jessie Christiansen, seorang astronom di California Institute of Technology yang mempelajari kondisi galaksi dan pengaruhnya terhadap pembentukan planet. “Sangat sulit dengan sampel statistik ini; apa pun [tentang galaksi kita] bisa menjadi penting, atau tidak ada apa pun yang penting.”

Satu abad setelah Edwin Hubble menulis “VAR!” Pada pelat kaca, banyaknya galaksi yang terlihat dalam bidang pandang JWST mengubah apa yang kita ketahui tentang kosmos dan posisi kita di dalamnya. Sama seperti kita dapat menggunakan Bima Sakti sebagai observatorium astrofisika untuk memahami alam semesta yang lebih luas, kita juga dapat menggunakan alam semesta yang lebih luas dan miliaran galaksi di dalamnya untuk memahami rumah kita dan bagaimana kita tercipta.

Para astronom terus mengambil satu halaman dari pedoman Hubble dan mengamati Andromeda, elips samar di langit utara. Seperti yang dilakukan Gaia di dekat bumi, Instrumen Spektroskopi Energi Gelap di Observatorium Nasional Kitt Peak akan mengukur masing-masing bintang di Andromeda dan mengamati pergerakan, usia, dan kelimpahan kimianya. Wyse juga berencana mempelajari masing-masing bintang di galaksi sebelahnya, menggunakan Teleskop Subaru di Mauna Kea.

Melakukan hal ini akan memberikan pandangan baru tentang masa lalu Andromeda dan perbandingan baru untuk galaksi kita sendiri. Hal ini juga akan memberikan gambaran sekilas tentang masa depan yang sangat jauh. Galaksi kita pada akhirnya akan menghancurkan dua galaksi kecil di dekatnya, Awan Magellan Besar dan Kecil, yang bergerak melintasi ruang angkasa ke arah kita. Galaksi kita sudah mulai mencernanya.

“Jika kita mengamati semua ini satu miliar tahun dari sekarang, ini akan terlihat jauh lebih berantakan,” kata Conroy. “Kami kebetulan berada pada saat keadaan relatif tenang.”

Selanjutnya, Andromeda juga akan ikut bergabung dengan kita. Galaksi yang terbentang di lempengan kaca Edwin Hubble tidak akan lagi menjadi pulau alam semesta. Andromeda dan Bima Sakti akan berputar ke arah satu sama lain, lingkaran cahaya bintang mereka berputar bersama. Dalam jangka waktu yang tidak dapat dipahami, piringan-piringan tersebut juga akan bergabung, memanaskan gas dingin dan menyebabkannya mengembun dan memicu bintang-bintang baru. Di tepi struktur apa pun yang dibangun selanjutnya, matahari-matahari baru akan muncul, dan bersama mereka planet-planet baru. Namun untuk saat ini, semuanya tenang, di sini, di Lengan Lokal satu-satunya galaksi yang pernah kita kenal.