Bayangan dalam Big Bang Afterglow Mengungkapkan Struktur Kosmik yang Tak Terlihat

Hampir 400,000 tahun setelah Big Bang, plasma primordial alam semesta yang baru lahir cukup mendingin untuk atom pertama bergabung, memberikan ruang bagi radiasi yang tertanam untuk melambung bebas. Cahaya itu — gelombang mikro kosmik latar belakang (CMB) — terus mengalir melalui langit ke segala arah, menyiarkan potret alam semesta awal yang diambil oleh teleskop khusus dan bahkan disingkapkan dalam statis di televisi sinar katoda lama.

Setelah para ilmuwan menemukan radiasi CMB pada tahun 1965, mereka dengan cermat memetakan variasi suhunya yang kecil, yang ditampilkan keadaan kosmos yang sebenarnya ketika itu hanyalah plasma buih belaka. Sekarang mereka menggunakan kembali data CMB untuk membuat katalog struktur berskala besar yang berkembang selama miliaran tahun saat alam semesta menjadi matang.

“Cahaya itu mengalami sebagian besar sejarah alam semesta, dan dengan melihat bagaimana itu berubah, kita bisa belajar tentang zaman yang berbeda,” kata Kimmy Wu, kosmolog di SLAC National Accelerator Laboratory.

Selama perjalanannya yang hampir 14 miliar tahun, cahaya dari CMB telah diregangkan, diperas, dan dibengkokkan oleh semua materi yang menghalangi jalannya. Kosmolog mulai melihat melampaui fluktuasi primer dalam cahaya CMB ke jejak sekunder yang ditinggalkan oleh interaksi dengan galaksi dan struktur kosmik lainnya. Dari sinyal-sinyal ini, mereka mendapatkan gambaran yang lebih tajam tentang distribusi materi biasa — segala sesuatu yang terdiri dari bagian atom — dan materi gelap misterius. Pada gilirannya, wawasan tersebut membantu menyelesaikan beberapa misteri kosmologis lama dan menimbulkan beberapa yang baru.

“Kami menyadari bahwa CMB tidak hanya memberi tahu kami tentang kondisi awal alam semesta. Itu juga memberi tahu kita tentang galaksi itu sendiri, ”kata Emmanuel Schaan, juga kosmolog di SLAC. "Dan itu ternyata sangat kuat."

Alam Semesta Bayangan

Survei optik standar, yang melacak cahaya yang dipancarkan oleh bintang, mengabaikan sebagian besar massa dasar galaksi. Itu karena sebagian besar kandungan materi total alam semesta tidak terlihat oleh teleskop — tersembunyi dari pandangan baik sebagai gumpalan materi gelap atau sebagai gas terionisasi menyebar yang menjembatani galaksi. Namun materi gelap dan gas yang berserakan meninggalkan jejak yang dapat dideteksi pada perbesaran dan warna cahaya CMB yang masuk.

“Alam semesta benar-benar teater bayangan di mana galaksi adalah protagonisnya, dan CMB adalah lampu latarnya,” kata Schaan.

Banyak pemain bayangan sekarang menjadi lega.

Ketika partikel cahaya, atau foton, dari CMB menghamburkan elektron dalam gas antar galaksi, mereka akan bertabrakan dengan energi yang lebih tinggi. Selain itu, jika galaksi-galaksi tersebut bergerak relatif terhadap alam semesta yang mengembang, foton CMB mendapatkan pergeseran energi kedua, naik atau turun tergantung pada gerak relatif gugus.

Pasangan efek ini, masing-masing dikenal sebagai efek termal dan kinematik Sunyaev-Zel'dovich (SZ), adalah berteori dulu pada akhir 1960-an dan telah terdeteksi dengan presisi yang meningkat dalam dekade terakhir. Bersama-sama, efek SZ meninggalkan ciri khas yang dapat dimunculkan dari gambar CMB, memungkinkan para ilmuwan untuk memetakan lokasi dan suhu semua materi biasa di alam semesta.

Terakhir, efek ketiga yang dikenal sebagai pelensaan gravitasi lemah membelokkan jalur cahaya CMB saat bergerak di dekat objek masif, mendistorsi CMB seolah-olah dilihat melalui dasar gelas anggur. Berbeda dengan efek SZ, lensing peka terhadap semua materi — gelap atau sebaliknya.

Secara keseluruhan, efek ini memungkinkan kosmolog memisahkan materi biasa dari materi gelap. Kemudian para ilmuwan dapat melapisi peta ini dengan gambar dari survei galaksi untuk mengukur jarak kosmik dan bahkan jejak pembentukan bintang.

In teman dokumen pada tahun 2021, tim yang dipimpin oleh Schaan dan Stefania Amodeo, yang sekarang berada di Observatorium Astronomi Strasbourg di Prancis, menerapkan pendekatan ini. Mereka memeriksa data CMB yang diambil oleh European Space Agency Satelit Planck dan berbasis darat Teleskop Kosmologi Atacama, kemudian ditumpuk di atas peta tersebut survei optik tambahan dari hampir 500,000 galaksi. Teknik ini memungkinkan mereka mengukur keselarasan materi biasa dan materi gelap.

Analisis menunjukkan bahwa gas di kawasan itu tidak memeluk jaringan materi gelap pendukungnya sekencang yang diperkirakan banyak model. Sebaliknya, ini menunjukkan bahwa ledakan dari supernova dan lubang hitam supermasif yang bertambah memaksa gas menjauh dari nodus materi gelapnya, menyebarkannya sehingga terlalu tipis dan dingin untuk dideteksi oleh teleskop konvensional.

Melihat gas yang menyebar dalam bayangan CMB telah membantu para ilmuwan lebih lanjut mengatasi apa yang disebut masalah baryon yang hilang. Ini juga memberikan perkiraan untuk kekuatan dan suhu ledakan yang menyebar — data yang sekarang digunakan para ilmuwan untuk menyempurnakan model evolusi galaksi mereka dan struktur alam semesta berskala besar.

Dalam beberapa tahun terakhir, para kosmolog dibingungkan oleh fakta bahwa distribusi materi yang diamati di alam semesta modern adalah lebih halus dari prediksi teori. Jika ledakan yang mendaur ulang gas intergalaksi lebih energik daripada yang diperkirakan para ilmuwan, seperti karya terbaru oleh Schaan, Amodeo dan orang lain tampaknya menyarankan, ledakan ini mungkin sebagian bertanggung jawab karena menyebarkan materi secara lebih merata ke seluruh alam semesta, kata Bukit Colin, seorang ahli kosmologi di Universitas Columbia yang juga mengerjakan tanda tangan CMB. Dalam beberapa bulan mendatang, Hill dan rekan-rekannya di Teleskop Kosmologi Atacama berencana mengungkap peta bayangan CMB yang diperbarui dengan lompatan penting dalam cakupan dan sensitivitas langit.

"Kami baru mulai menggores permukaan dari apa yang dapat Anda lakukan dengan peta ini," kata Hill. “Ini adalah peningkatan sensasional atas apa pun yang datang sebelumnya. Sulit dipercaya itu nyata.”

Nuansa yang Tidak Diketahui

CMB adalah bukti kunci yang membantu membangun model standar kosmologi — kerangka utama yang digunakan para peneliti untuk memahami asal-usul, komposisi, dan bentuk alam semesta. Tapi studi lampu latar CMB sekarang mengancam untuk melubangi cerita itu.

“Paradigma ini benar-benar bertahan dalam uji pengukuran presisi — hingga saat ini,” kata Eiichiro Komatsu, seorang ahli kosmologi di Max Planck Institute for Astrophysics yang bekerja untuk menetapkan teori tersebut sebagai anggota Penyelidikan Anisotropi Gelombang Mikro Wilkinson, yang memetakan CMB antara tahun 2001 dan 2010. “Kita mungkin berada di persimpangan jalan … model baru alam semesta .”

Selama dua tahun terakhir, Komatsu dan rekannya telah menyelidiki petunjuk tentang karakter baru di panggung teater bayangan. Sinyal muncul dalam polarisasi, atau orientasi, gelombang cahaya CMB, yang menurut model standar kosmologi harus tetap konstan dalam perjalanan gelombang melintasi alam semesta. Tetapi sebagai berteori tiga dekade lalu oleh Sean Carroll dan rekannya, polarisasi tersebut dapat diputar oleh bidang materi gelap, energi gelap, atau partikel yang benar-benar baru. Bidang seperti itu akan menyebabkan foton dari polarisasi berbeda bergerak dengan kecepatan berbeda dan memutar polarisasi bersih cahaya, sebuah properti yang dikenal sebagai "birefringence" yang dimiliki oleh kristal tertentu, seperti yang mengaktifkan layar LCD. Pada tahun 2020, tim Komatsu temuan yang dilaporkan rotasi kecil dalam polarisasi CMB — sekitar 0.35 derajat. Sebuah studi tindak lanjut diterbitkan tahun lalu memperkuat hasil sebelumnya.

Jika studi polarisasi atau hasil lain terkait dengan distribusi galaksi dikonfirmasi, itu akan menyiratkan bahwa alam semesta tidak terlihat sama di semua arah untuk semua pengamat. Bagi Hill dan banyak lainnya, kedua hasil tersebut menggiurkan tetapi belum pasti. Studi tindak lanjut sedang dilakukan untuk menyelidiki petunjuk ini dan mengesampingkan potensi efek perancu. Beberapa bahkan telah mengusulkan yang berdedikasi pesawat ruang angkasa "lampu latar astronomi". yang selanjutnya akan memeriksa berbagai bayangan.

“Lima hingga 10 tahun lalu, orang mengira kosmologi sudah selesai,” kata Komatsu. “Itu berubah sekarang. Kita memasuki era baru.”