Penemuan inovatif lainnya oleh Universitas Nagoyaenam pemenang Hadiah Nobel melihat kembali ke bagian luar angkasa lebih jauh dari sebelumnya. Bekerjasama dengan Universitas Tokyo dan Princeton University, para peneliti mengungkapkan bagaimana mereka mengamati pembentukan materi gelap di sekitar galaksi 12 miliar tahun yang lalu, menggunakan residu radiasi dari Big Bang.
Mungkin sulit untuk melihat peristiwa yang terjadi begitu lama. Karena kecepatan cahaya yang terbatas, tim mengamati galaksi yang jauh dalam sejarah pra-miliar tahun mereka daripada keadaan mereka saat ini. Mengamati materi gelap, yang tidak menghasilkan cahaya, masih lebih menantang.
Pertimbangkan galaksi sumber jauh yang bahkan lebih jauh daripada galaksi target untuk mempelajari materi gelapnya. Seperti yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein, tarikan gravitasi galaksi latar depan, termasuk materi gelapnya, mendistorsi sekitarnya ruang dan waktu. Bentuk galaksi yang tampak berubah sebagai akibat dari pembelokan cahaya dari galaksi sumber saat melewati distorsi. Distorsi meningkat dengan jumlah materi gelap. Karena distorsi, peneliti dapat menghitung jumlah materi gelap di sekitar galaksi latar depan (juga dikenal sebagai galaksi "lensa").
Di luar titik tertentu, muncul masalah: Galaksi sangat redup di ujung terjauh alam semesta. Akibatnya, strategi ini menjadi kurang berhasil saat kita melihat lebih jauh dari Bumi. Harus ada banyak galaksi latar belakang untuk mengidentifikasi sinyal karena distorsi pelensaan biasanya sederhana dan sulit untuk dideteksi.
Sebagian besar studi terjebak pada batas yang sama. Selain tidak dapat mengidentifikasi galaksi sumber yang cukup jauh untuk mengukur distorsi, para ilmuwan hanya dapat menganalisis materi gelap tidak lebih dari 8-10 miliar tahun yang lalu.
Keterbatasan ini membuka pertanyaan tentang distribusi materi gelap antara waktu ini dan 13.7 miliar tahun yang lalu, sekitar awal alam semesta kita.
Peneliti dalam penelitian ini menyiasati masalah ini dengan menggunakan data dari pengamatan Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Mereka dapat mendeteksi 1.5 juta galaksi lensa menggunakan cahaya tampak, dipilih untuk dilihat 12 miliar tahun yang lalu.
Selanjutnya, mereka menggunakan gelombang mikro dari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) untuk mengatasi kekurangan cahaya galaksi lebih jauh. Mereka terutama menggunakan gelombang mikro yang diamati oleh satelit Planck Badan Antariksa Eropa untuk mengukur materi gelap di sekitar galaksi lensa yang terdistorsi oleh gelombang mikro.
Profesor Masami Ouchi dari Universitas Tokyo berkata, “Lihat materi gelap di sekitar galaksi jauh? Itu adalah ide yang gila. Tidak ada yang menyadari kita bisa melakukan ini. Tapi setelah saya berbicara tentang sampel galaksi jauh yang besar, Hironao datang kepada saya dan mengatakan mungkin untuk melihat materi gelap di sekitar galaksi ini dengan CMB.”
Asisten Profesor Yuichi Harikane dari Institut Penelitian Sinar Kosmik, Universitas Tokyo, mengatakan, “Sebagian besar peneliti menggunakan galaksi sumber untuk mengukur distribusi materi gelap dari sekarang hingga delapan miliar tahun yang lalu. Namun, kami dapat melihat lebih jauh ke masa lalu karena kami menggunakan CMB yang lebih jauh untuk mengukur materi gelap. Untuk pertama kalinya, kami mengukur materi gelap hampir dari saat-saat awal alam semesta.”
Setelah analisis awal, para peneliti segera menyadari bahwa mereka memiliki sampel yang cukup besar untuk mendeteksi distribusi materi gelap. Menggabungkan sampel galaksi besar yang jauh dan distorsi lensa di CMB, mereka mendeteksi materi gelap lebih jauh ke masa lalu, dari 12 miliar tahun yang lalu. Ini hanya 1.7 miliar tahun setelah awal alam semesta; dengan demikian, galaksi-galaksi ini terlihat segera setelah mereka pertama kali terbentuk.
Asisten Profesor yang Ditunjuk KMI Hironao Miyatake mengatakan, “Saya senang kami membuka jendela baru ke era itu. 12 miliar tahun yang lalu, keadaannya sangat berbeda. Anda melihat lebih banyak galaksi dalam proses pembentukan daripada saat ini; gugus galaksi pertama juga mulai terbentuk. Gugus galaksi terdiri dari 100-1000 galaksi yang terikat oleh gravitasi dengan sejumlah besar materi gelap.”
Neta Bahcall, Profesor Astronomi Eugene Higgins, profesor ilmu astrofisika, dan direktur studi sarjana di Universitas Princeton, mengatakan, “Hasil ini memberikan hasil yang sangat konsisten gambar galaksi dan evolusi mereka, serta materi gelap di dalam dan di sekitar galaksi, dan bagaimana gambar ini berkembang seiring waktu.”
Salah satu temuan paling menarik dari para peneliti terkait dengan gumpalan materi gelap. Menurut teori standar kosmologi, model Lambda-CDM, fluktuasi halus dalam CMB membentuk kumpulan materi padat dengan menarik materi di sekitarnya melalui gaya berat. Ini menciptakan gumpalan tidak homogen yang membentuk bintang dan galaksi di daerah padat ini. Temuan kelompok menunjukkan bahwa pengukuran clumpiness mereka lebih rendah dari yang diperkirakan oleh model Lambda-CDM.
Miyatake berkata, “Temuan kami masih belum pasti. Tetapi jika itu benar, itu akan menunjukkan bahwa seluruh model itu cacat saat Anda melangkah lebih jauh ke masa lalu. Ini menarik karena jika hasilnya bertahan setelah ketidakpastian berkurang, itu bisa menyarankan perbaikan model yang dapat memberikan wawasan tentang sifat materi gelap itu sendiri.”
Andrés Plazas Malagón, seorang peneliti rekanan di Universitas Princeton, mengatakan, “Pada titik ini, kami akan mencoba mendapatkan data yang lebih baik untuk melihat apakah model Lambda-CDM dapat menjelaskan pengamatan kami di alam semesta. Dan konsekuensinya mungkin kita perlu meninjau kembali asumsi yang masuk ke dalam model ini.”
Michael Strauss, seorang profesor, dan ketua Departemen Ilmu Astrofisika di Universitas Princeton, mengatakan, “Salah satu kekuatan melihat alam semesta menggunakan survei skala besar, seperti yang digunakan dalam penelitian ini, adalah Anda dapat mempelajari segala sesuatu yang Anda lihat dalam gambar yang dihasilkan, dari jarak dekat. asteroid di tata surya kita ke galaksi terjauh dari alam semesta awal. Anda dapat menggunakan data yang sama untuk mengeksplorasi banyak pertanyaan baru.”
Referensi Jurnal:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, dkk. Identifikasi Pertama dari Sinyal Lensa CMB yang Dihasilkan oleh 1.5 Juta Galaksi pada z∼4: Kendala pada Fluktuasi Kepadatan Materi pada Pergeseran Merah Tinggi. Phys. Pdt. Lett. 129, 061301 – Diterbitkan 1 Agustus 2022. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.061301
