Model Standar Kosmologi Bertahan dari Penemuan Mengejutkan Teleskop

Retakan dalam kosmologi seharusnya membutuhkan waktu untuk muncul. Tetapi ketika Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) membuka lensanya musim semi lalu, galaksi yang sangat jauh namun sangat terang segera bersinar ke bidang pandang teleskop. "Mereka sangat cerdas, dan mereka hanya menonjol," kata Rohan Naidu, seorang astronom di Massachusetts Institute of Technology.

Jarak nyata galaksi dari Bumi menunjukkan bahwa mereka terbentuk jauh lebih awal dalam sejarah alam semesta daripada yang diantisipasi siapa pun. (Semakin jauh sesuatu, semakin lama cahayanya berkobar.) Keraguan berputar-putar, tetapi pada bulan Desember, para astronom mengonfirmasi bahwa beberapa galaksi memang berjarak, dan oleh karena itu sama primordialnya, seperti yang terlihat. Galaksi paling awal yang terkonfirmasi memancarkan cahayanya 330 juta tahun setelah Big Bang, menjadikannya pemegang rekor baru untuk struktur paling awal yang diketahui di alam semesta. Galaksi itu agak redup, tetapi kandidat lain yang secara longgar dipatok pada periode waktu yang sama sudah bersinar terang, artinya mereka berpotensi sangat besar.

Bagaimana mungkin bintang-bintang menyala di dalam awan gas super panas begitu cepat setelah Big Bang? Bagaimana mungkin mereka dengan tergesa-gesa menjalin diri menjadi struktur besar yang terikat secara gravitasi? Menemukan galaksi-galaksi awal yang begitu besar, terang, tampaknya mirip dengan menemukan fosil kelinci di strata Prakambrium. “Tidak ada hal-hal besar di masa-masa awal. Butuh beberapa saat untuk sampai ke hal-hal besar, ”kata Mike Boylan-Kolchin, seorang fisikawan teoretis di University of Texas, Austin.

Para astronom mulai bertanya apakah kelimpahan benda-benda besar awal bertentangan dengan pemahaman kosmos saat ini. Beberapa peneliti dan outlet media mengklaim bahwa pengamatan teleskop melanggar model standar kosmologi - seperangkat persamaan yang telah teruji dengan baik yang disebut model lambda cold dark matter, atau ΛCDM, - dengan mendebarkan menunjuk ke bahan kosmik baru atau hukum yang mengatur. Namun, sejak itu menjadi jelas bahwa model ΛCDM tangguh. Alih-alih memaksa para peneliti untuk menulis ulang aturan kosmologi, temuan JWST membuat para astronom memikirkan kembali bagaimana galaksi dibuat, terutama di awal kosmik. Teleskop belum memecahkan kosmologi, tetapi itu tidak berarti kasus galaksi yang terlalu dini akan menjadi sesuatu yang tidak penting.

Waktu yang Lebih Sederhana

Untuk melihat mengapa pendeteksian galaksi-galaksi yang sangat awal dan terang itu mengejutkan, ada baiknya untuk memahami apa yang diketahui para kosmolog — atau menurut mereka tahu — tentang alam semesta.

Setelah Big Bang, bayi alam semesta mulai mendingin. Dalam beberapa juta tahun, plasma bergolak yang memenuhi ruang angkasa menjadi tenang, dan elektron, proton, dan neutron bergabung menjadi atom, sebagian besar hidrogen netral. Segala sesuatunya sunyi dan gelap selama periode durasi yang tidak pasti yang dikenal sebagai zaman kegelapan kosmik. Kemudian sesuatu terjadi.

Sebagian besar materi yang tercerai berai setelah Big Bang terbuat dari sesuatu yang tidak dapat kita lihat, yang disebut materi gelap. Itu telah memberikan pengaruh yang kuat atas kosmos, terutama pada awalnya. Dalam gambaran standar, materi gelap dingin (istilah yang berarti partikel tak terlihat dan bergerak lambat) terlempar ke seluruh kosmos tanpa pandang bulu. Di beberapa daerah penyebarannya lebih padat, dan di daerah ini mulai runtuh menjadi rumpun. Materi tampak, artinya atom, berkerumun di sekitar gumpalan materi gelap. Saat atom mendingin juga, mereka akhirnya memadat, dan bintang pertama lahir. Sumber radiasi baru ini mengisi ulang hidrogen netral yang mengisi alam semesta selama apa yang disebut zaman reionisasi. Melalui gravitasi, struktur yang lebih besar dan kompleks tumbuh, membangun jaringan galaksi kosmik yang luas.

Sementara itu, semuanya terus terbang terpisah. Astronom Edwin Hubble menemukan pada tahun 1920-an bahwa alam semesta mengembang, dan pada akhir 1990-an, namanya, Teleskop Luar Angkasa Hubble, menemukan bukti bahwa perluasan semakin cepat. Pikirkan alam semesta sebagai sepotong roti kismis. Ini dimulai sebagai campuran tepung, air, ragi dan kismis. Saat Anda menggabungkan bahan-bahan ini, ragi mulai bernapas dan roti mulai mengembang. Kismis di dalamnya - pengganti galaksi - meregang lebih jauh satu sama lain saat roti mengembang.

Teleskop Hubble melihat bahwa roti itu naik semakin cepat. Kismis terbang terpisah dengan kecepatan yang menentang daya tarik gravitasinya. Akselerasi ini tampaknya didorong oleh energi tolak ruang itu sendiri — yang disebut energi gelap, yang diwakili oleh huruf Yunani Λ (diucapkan “lambda”). Masukkan nilai Λ, materi gelap dingin, dan materi reguler serta radiasi ke dalam persamaan teori relativitas umum Albert Einstein, dan Anda akan mendapatkan model bagaimana alam semesta berevolusi. Model "materi gelap dingin lambda" (ΛCDM) ini cocok dengan hampir semua pengamatan kosmos.

Salah satu cara untuk menguji gambar ini adalah dengan melihat galaksi yang sangat jauh — setara dengan melihat ke belakang ke masa beberapa ratus juta tahun pertama setelah tepukan luar biasa yang memulai semuanya. Kosmos saat itu lebih sederhana, evolusinya lebih mudah dibandingkan dengan prediksi.

Para astronom pertama kali mencoba melihat struktur paling awal di alam semesta menggunakan teleskop Hubble pada tahun 1995. Selama 10 hari, Hubble menangkap 342 eksposur bidang ruang yang tampak kosong di Biduk. Para astronom terheran-heran dengan kelimpahan yang bersembunyi di kegelapan pekat: Hubble dapat melihat ribuan galaksi pada jarak dan tahap perkembangan yang berbeda, terbentang jauh ke masa yang jauh lebih awal dari yang diperkirakan siapa pun. Hubble akan terus menemukan beberapa galaksi yang sangat jauh — pada tahun 2016, para astronom menemukan yang paling jauh, disebut GN-z11, noda samar yang berasal dari 400 juta tahun setelah Big Bang.

Itu mengejutkan awal untuk sebuah galaksi, tetapi itu tidak meragukan model ΛCDM sebagian karena galaksi itu kecil, dengan hanya 1% dari massa Bima Sakti, dan sebagian karena ia berdiri sendiri. Para astronom membutuhkan teleskop yang lebih kuat untuk melihat apakah GN-z11 adalah eksentrik atau bagian dari populasi yang lebih besar dari galaksi awal yang membingungkan, yang dapat membantu menentukan apakah kita kehilangan bagian penting dari resep ΛCDM.

Jauh tak terhitung

Teleskop antariksa generasi berikutnya, dinamai dari mantan pemimpin NASA James Webb, diluncurkan pada Hari Natal 2021. Segera setelah JWST dikalibrasi, cahaya dari galaksi-galaksi awal masuk ke perangkat elektronik sensitifnya. Para astronom menerbitkan banyak makalah yang menjelaskan apa yang mereka lihat.

Peneliti menggunakan versi efek Doppler untuk mengukur jarak objek. Ini mirip dengan mencari tahu lokasi ambulans berdasarkan sirinenya: Nada sirene terdengar lebih tinggi saat mendekat dan kemudian lebih rendah saat surut. Semakin jauh sebuah galaksi, semakin cepat ia menjauh dari kita, sehingga cahayanya membentang ke panjang gelombang yang lebih panjang dan tampak lebih merah. Besarnya "pergeseran merah" ini dinyatakan sebagai z, di mana nilai yang diberikan untuk z memberi tahu Anda berapa lama cahaya benda harus menempuh perjalanan untuk mencapai kita.

Salah satu makalah pertama pada data JWST berasal dari Naidu, astronom MIT, dan rekan-rekannya, yang algoritme pencariannya menandai sebuah galaksi yang tampaknya sangat terang dan sangat jauh. Naidu menjulukinya GLASS-z13, menunjukkan jaraknya yang tampak pada pergeseran merah 13 — lebih jauh dari apa pun yang terlihat sebelumnya. (Pergeseran merah galaksi kemudian direvisi menjadi 12.4, dan diganti namanya menjadi GLASS-z12.) Astronom lain yang mengerjakan berbagai rangkaian pengamatan JWST melaporkan nilai pergeseran merah dari 11 hingga 20, termasuk satu galaksi bernama CEERS-1749 atau CR2-z17-1, yang cahayanya tampaknya telah meninggalkannya 13.7 miliar tahun yang lalu, hanya 220 juta tahun setelah Big Bang — nyaris tidak berkedip setelah awal waktu kosmik.

Deteksi diduga ini menunjukkan bahwa cerita rapi yang dikenal sebagai ΛCDM mungkin tidak lengkap. Entah bagaimana, galaksi langsung tumbuh besar. “Di alam semesta awal, Anda tidak berharap melihat galaksi masif. Mereka belum punya waktu untuk membentuk bintang sebanyak itu, dan mereka belum bergabung menjadi satu,” kata Chris Lovell, ahli astrofisika di University of Portsmouth di Inggris. Memang, di sebuah pelajaran diterbitkan pada bulan November, para peneliti menganalisis simulasi komputer dari alam semesta yang diatur oleh model ΛCDM dan menemukan bahwa galaksi-galaksi awal JWST yang terang adalah urutan besarnya lebih berat daripada yang terbentuk secara bersamaan dalam simulasi.

Beberapa astronom dan media mengklaim bahwa JWST melanggar kosmologi, tetapi tidak semua orang yakin. Satu masalah adalah prediksi ΛCDM tidak selalu jelas. Sementara materi gelap dan energi gelap itu sederhana, materi yang terlihat memiliki interaksi dan perilaku yang kompleks, dan tidak ada yang tahu persis apa yang terjadi di tahun-tahun pertama setelah Big Bang; masa-masa awal yang heboh itu harus didekati dalam simulasi komputer. Masalah lainnya adalah sulit untuk mengatakan dengan tepat seberapa jauh galaksi-galaksi itu.

Dalam beberapa bulan sejak makalah pertama, usia beberapa galaksi yang diduga memiliki pergeseran merah tinggi telah dipertimbangkan kembali. Beberapa diturunkan pangkatnya ke tahap selanjutnya dari evolusi kosmik karena kalibrasi teleskop yang diperbarui. CEERS-1749 ditemukan di wilayah langit yang berisi gugusan galaksi yang cahayanya dipancarkan 12.4 miliar tahun yang lalu, dan Naidu mengatakan kemungkinan galaksi sebenarnya adalah bagian dari gugusan ini — penyusup yang lebih dekat yang mungkin dipenuhi debu yang membuatnya tampak lebih redshifted dari itu. Menurut Naidu, CEERS-1749 itu aneh tidak peduli seberapa jauh jaraknya. "Itu akan menjadi jenis galaksi baru yang tidak kita ketahui: galaksi kecil bermassa sangat rendah yang entah bagaimana telah menumpuk banyak debu di dalamnya, sesuatu yang secara tradisional tidak kita duga," katanya. “Mungkin saja ada jenis objek baru yang membingungkan pencarian kita untuk galaksi yang sangat jauh.”

Istirahat Lyman

Semua orang tahu bahwa perkiraan jarak yang paling pasti membutuhkan kemampuan JWST yang paling kuat.

JWST tidak hanya mengamati cahaya bintang melalui fotometri, atau mengukur kecerahan, tetapi juga melalui spektroskopi, atau mengukur panjang gelombang cahaya. Jika pengamatan fotometri seperti gambar wajah di tengah keramaian, maka pengamatan spektroskopi seperti tes DNA yang dapat mengetahui riwayat keluarga seseorang. Naidu dan lainnya yang menemukan galaksi awal yang besar mengukur pergeseran merah menggunakan pengukuran yang berasal dari kecerahan — pada dasarnya melihat wajah di kerumunan menggunakan kamera yang sangat bagus. Metode itu jauh dari kedap udara. (Pada pertemuan American Astronomical Society di bulan Januari, para astronom menyindir bahwa mungkin setengah dari galaksi awal yang diamati dengan fotometri saja ternyata dapat diukur secara akurat.)

Namun pada awal Desember, kosmolog mengumumkan bahwa mereka telah menggabungkan kedua metode untuk empat galaksi. Tim JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) mencari galaksi yang spektrum cahaya inframerahnya tiba-tiba terputus pada panjang gelombang kritis yang dikenal sebagai jeda Lyman. Pemutusan ini terjadi karena hidrogen yang mengambang di ruang antar galaksi menyerap cahaya. Karena perluasan alam semesta yang terus-menerus - roti kismis yang terus meningkat - cahaya galaksi jauh bergeser, sehingga panjang gelombang dari jeda yang tiba-tiba itu juga bergeser. Ketika cahaya galaksi tampak turun pada panjang gelombang yang lebih panjang, jaraknya lebih jauh. JADES mengidentifikasi spektrum dengan pergeseran merah hingga 13.2, yang berarti cahaya galaksi dipancarkan 13.4 miliar tahun lalu.

Segera setelah data diturunkan, peneliti JADES mulai "panik" dalam grup Slack bersama, menurut Kevin Hailine, seorang astronom di Universitas Arizona. “Rasanya seperti, 'Ya Tuhan, ya Tuhan, kami berhasil, kami berhasil, kami berhasil!'” katanya. “Spektra ini hanyalah awal dari apa yang saya pikir akan menjadi ilmu yang mengubah astronomi.”

Brant Robertson, seorang astronom JADES di University of California, Santa Cruz, mengatakan temuan menunjukkan bahwa alam semesta awal berubah dengan cepat dalam miliar tahun pertama, dengan galaksi berkembang 10 kali lebih cepat daripada yang mereka lakukan sekarang. Ini mirip dengan bagaimana “burung kolibri adalah makhluk kecil,” katanya, “tetapi jantungnya berdetak sangat cepat sehingga ia menjalani kehidupan yang berbeda dari makhluk lain. Detak jantung galaksi-galaksi ini terjadi dalam skala waktu yang jauh lebih cepat daripada sesuatu yang seukuran Bima Sakti.”

Tetapi apakah jantung mereka berdetak terlalu cepat untuk dijelaskan oleh ΛCDM?

Kemungkinan Teoretis

Saat para astronom dan publik menganga melihat gambar JWST, para peneliti mulai bekerja di belakang layar untuk menentukan apakah galaksi yang berkedip ke pandangan kita benar-benar membalikkan ΛCDM atau hanya membantu memastikan angka yang harus kita masukkan ke dalam persamaannya.

Satu angka penting namun kurang dipahami menyangkut massa galaksi paling awal. Kosmolog mencoba menentukan massa mereka untuk mengetahui apakah mereka cocok dengan garis waktu pertumbuhan galaksi yang diprediksi ΛCDM.

Massa galaksi berasal dari kecerahannya. Tetapi Megan Donahue, seorang ahli astrofisika di Michigan State University, mengatakan bahwa hubungan antara massa dan kecemerlangan adalah tebakan yang cerdas, berdasarkan asumsi yang diperoleh dari bintang-bintang terkenal dan galaksi yang dipelajari dengan baik.

Salah satu asumsi utama adalah bahwa bintang selalu terbentuk dalam kisaran massa statistik tertentu, yang disebut fungsi massa awal (IMF). Parameter IMF ini sangat penting untuk mengumpulkan massa galaksi dari pengukuran kecemerlangannya, karena bintang yang panas, biru, dan berat menghasilkan lebih banyak cahaya, sedangkan mayoritas massa galaksi biasanya terkunci di bintang dingin, merah, dan kecil.

Tapi mungkin saja IMF berbeda di alam semesta awal. Jika demikian, galaksi awal JWST mungkin tidak seberat yang disarankan kecerahannya; mereka mungkin terang tapi terang. Kemungkinan ini menyebabkan sakit kepala, karena mengubah masukan dasar ini ke model ΛCDM dapat memberi Anda hampir semua jawaban yang Anda inginkan. Lovell mengatakan beberapa astronom menganggap mengutak-atik IMF sebagai "wilayah orang jahat".

“Jika kita tidak memahami fungsi massa awal, maka memahami galaksi pada pergeseran merah tinggi benar-benar sebuah tantangan,” kata Wendy Freeman, seorang ahli astrofisika di University of Chicago. Timnya sedang mengerjakan pengamatan dan simulasi komputer yang akan membantu menjabarkan IMF di lingkungan yang berbeda.

Selama musim gugur, banyak ahli menduga bahwa tweak ke IMF dan faktor lain bisa cukup untuk menyelaraskan galaksi yang sangat kuno menerangi instrumen JWST dengan ΛCDM. “Saya pikir sebenarnya lebih mungkin kita dapat mengakomodasi pengamatan ini dalam paradigma standar,” kata Rachel Somerville, seorang ahli astrofisika di Flatiron Institute (yang, seperti Majalah Quanta, didanai oleh Simons Foundation). Dalam hal itu, dia berkata, “apa yang kita pelajari adalah: Seberapa cepat halo [materi gelap] dapat mengumpulkan gas? Seberapa cepat kita bisa membuat gas mendingin dan menjadi padat, dan membuat bintang? Mungkin itu terjadi lebih cepat di awal alam semesta; mungkin gasnya lebih padat; mungkin entah bagaimana itu mengalir lebih cepat. Saya pikir kami masih belajar tentang proses itu.

Somerville juga mempelajari kemungkinan bahwa lubang hitam mengganggu bayi kosmos. Astronom punya melihat beberapa lubang hitam supermasif bercahaya pada pergeseran merah 6 atau 7, sekitar satu miliar tahun setelah Big Bang. Sulit membayangkan bagaimana, pada saat itu, bintang bisa terbentuk, mati, dan kemudian runtuh menjadi lubang hitam yang memakan semua yang ada di sekitarnya dan mulai memuntahkan radiasi.

Tetapi jika ada lubang hitam di dalam galaksi awal yang diduga, itu bisa menjelaskan mengapa galaksi tampak begitu terang, bahkan jika sebenarnya tidak terlalu masif, kata Somerville.

Konfirmasi bahwa ΛCDM dapat menampung setidaknya beberapa galaksi awal JWST tiba sehari sebelum Natal. Para astronom dipimpin oleh Benyamin Keller di Universitas Memphis diperiksa beberapa simulasi superkomputer besar dari alam semesta ΛCDM dan menemukan bahwa simulasi tersebut dapat menghasilkan galaksi seberat empat galaksi yang dipelajari secara spektroskopi oleh tim JADES. (Keempatnya, terutama, lebih kecil dan lebih redup daripada galaksi awal lainnya yang diklaim seperti GLASS-z12.) Dalam analisis tim, semua simulasi menghasilkan galaksi seukuran temuan JADES pada pergeseran merah 10. Satu simulasi dapat membuat galaksi seperti itu pada pergeseran merah 13, sama seperti yang dilihat JADES, dan dua galaksi lainnya dapat membangun galaksi pada pergeseran merah yang lebih tinggi lagi. Tak satu pun dari galaksi JADES berada dalam ketegangan dengan paradigma ΛCDM saat ini, Keller dan rekannya melaporkan di server pracetak arxiv.org pada 24 Desember.

Meskipun tidak memiliki kekuatan untuk mematahkan model kosmologis yang berlaku, galaksi JADES memiliki karakteristik khusus lainnya. Hainline mengatakan bintang mereka tampaknya tidak tercemar oleh logam dari bintang yang meledak sebelumnya. Ini bisa berarti mereka adalah bintang Populasi III - bintang generasi pertama yang sangat dicari untuk menyala - dan bahwa mereka mungkin berkontribusi pada reionisasi alam semesta. Jika ini benar, maka JWST telah mengintip kembali ke periode misterius ketika alam semesta diatur pada jalurnya saat ini.

Bukti Luar Biasa

 Konfirmasi spektroskopi dari galaksi awal tambahan bisa datang musim semi ini, tergantung pada bagaimana komite alokasi waktu JWST membagi banyak hal. Kampanye pengamatan yang disebut WDEEP akan secara khusus mencari galaksi dari kurang dari 300 juta tahun setelah Big Bang. Saat para peneliti mengonfirmasi lebih banyak jarak galaksi dan memperkirakan massanya dengan lebih baik, mereka akan membantu menentukan nasib ΛCDM.

Banyak pengamatan lain sedang dilakukan yang dapat mengubah gambaran untuk ΛCDM. Freedman, yang sedang mempelajari fungsi massa awal, bangun pada pukul 1 dini hari untuk mengunduh data JWST pada bintang variabel yang dia gunakan sebagai “lilin standar” untuk mengukur jarak dan usia. Pengukuran tersebut dapat membantu menghilangkan potensi masalah lain dengan ΛCDM, yang dikenal sebagai ketegangan Hubble. Masalahnya adalah bahwa alam semesta saat ini tampaknya mengembang lebih cepat daripada prediksi ΛCDM untuk alam semesta berusia 13.8 miliar tahun. Kosmolog memiliki banyak kemungkinan penjelasan. Mungkin, beberapa kosmolog berspekulasi, densitas energi gelap yang mempercepat perluasan alam semesta tidak konstan, seperti pada ΛCDM, tetapi berubah seiring waktu. Mengubah sejarah perluasan alam semesta mungkin tidak hanya menyelesaikan ketegangan Hubble tetapi juga merevisi perhitungan usia alam semesta pada pergeseran merah tertentu. JWST mungkin melihat galaksi awal seperti yang muncul, katakanlah, 500 juta tahun setelah Big Bang, bukan 300 juta. Kemudian bahkan galaksi awal terberat di cermin JWST akan memiliki banyak waktu untuk menyatu, kata Somerville.

Para astronom kehabisan superlatif ketika mereka berbicara tentang hasil galaksi awal JWST. Mereka membumbui percakapan mereka dengan tawa, sumpah serapah, dan seruan, bahkan saat mereka mengingatkan diri mereka pada pepatah Carl Sagan, betapapun sering digunakan, bahwa klaim luar biasa membutuhkan bukti luar biasa. Mereka tidak sabar untuk mendapatkan lebih banyak gambar dan spektrum, yang akan membantu mereka mengasah atau menyesuaikan model mereka. “Itu adalah masalah terbaik,” kata Boylan-Kolchin, “karena apa pun yang Anda dapatkan, jawabannya menarik.”