Bintang yang ditenagai oleh materi gelap mungkin telah dilihat oleh JWST – Physics World

Bintang yang ditenagai oleh materi gelap mungkin telah dilihat oleh JWST – Physics World

Stempel Waktu: 1 Agustus 2023 9

Bintang gelap supermasif
Bintang gelap, bukan galaksi: ketiga objek ini awalnya diidentifikasi sebagai galaksi oleh JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Namun kini, trio astronom berpendapat bahwa mereka sebenarnya adalah bintang gelap supermasif. (Sumber: NASA/ESA)

Trio astronom Amerika telah menemukan bukti kuat keberadaan “bintang gelap” – objek hipotetis yang ditenagai oleh pemusnahan materi gelap. Bintang-bintang gelap dapat menjelaskan banyaknya galaksi kuno yang tak terduga yang terlihat oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST).  Katherine Freese di Universitas Texas, Austin bersama dengan Kosmin Ilie dan Jillian Paulin di Colgate University menggunakan data JWST untuk menyimpulkan bahwa tiga dari galaksi ini sebenarnya adalah bintang gelap.

Kurang dari dua tahun sejak gambar pertamanya dirilis, JWST telah mengubah pemahaman para astronom tentang awal alam semesta. Di antara pengamatannya yang paling mengejutkan adalah banyaknya galaksi kuno yang sangat terang, yang terbentuk di wilayah yang kaya materi gelap.

Materi gelap adalah zat hipotetis yang digunakan oleh fisikawan untuk menjelaskan struktur skala besar alam semesta. Meskipun belum pernah diamati secara langsung, ia merupakan bagian dari model standar kosmologi saat ini – model materi gelap dingin lambda (ΛCDM). Ini menggambarkan struktur dan perluasan alam semesta, sekaligus memperhitungkan pengaruh gravitasi materi gelap.

Pemanasan materi gelap

Dalam 2007, Freese dan rekannya mengusulkan kemungkinan “bintang gelap”, yang mungkin umum terjadi di alam semesta awal. Meskipun sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium, bintang-bintang eksotik ini akan dipicu oleh “pemanasan materi gelap” daripada fusi nuklir. Hal ini mungkin melibatkan jenis materi gelap yang disebut partikel masif yang berinteraksi lemah (WIMPs). WIMP telah menghindari penemuan selama beberapa dekade dalam eksperimen deteksi berbasis Bumi, namun menurut tim Freese, kepadatan materi gelap di alam semesta awal dapat menyebabkan mereka berinteraksi jauh lebih sering dengan materi biasa selama pembentukan beberapa bintang paling awal.

Di alam semesta awal, “WIMP bisa saja musnah menjadi foton, pasangan elektron-positron, dan partikel lain, yang bertabrakan dengan hidrogen di awan yang runtuh,” jelas Freese. “Partikel-partikel ini kemudian terjebak di dalam awan, dan menyimpan semua energi dari massa partikel materi gelap ke dalam awan. Awan kemudian berhenti runtuh, dan malah berubah menjadi 'bintang gelap'.”

Bintang gelap adalah bintang dalam segala hal, karena gravitasi besar dari material dingin yang masuk ke dalamnya diimbangi secara sempurna oleh tekanan hidrostatis luar, yang dihasilkan oleh proses pelepasan energi di bagian dalamnya. Meski begitu, Freese mengatakan bahwa mereka memiliki beberapa perbedaan utama dari bintang biasa.

Dinginkan seluruhnya

“Mereka tidak memiliki inti, tidak seperti bintang bertenaga fusi, yang memerlukan suhu tinggi agar fusi dapat terjadi,” jelas Freese. “Bintang gelap bersifat dingin, termasuk di permukaannya, sehingga tidak menghasilkan foton pengion atau angin yang dapat mencegahnya bertambah massa.”

Akibatnya, Freese dan rekannya berpendapat bahwa bintang gelap berukuran sekitar 10 AU dan bermassa jutaan matahari. Hal ini memungkinkan bintang menarik lebih banyak partikel materi gelap. Dalam prosesnya, bintang gelap “supermasif” (SMDS) mungkin menjadi cukup terang untuk mengungguli seluruh galaksi.

Biasanya, galaksi dapat dengan mudah dibedakan dari bintang karena galaksi menempati wilayah ruang yang luas, sedangkan bintang tampak sebagai titik cahaya tunggal. Namun pada jarak yang begitu jauh, JWST pun tidak memiliki resolusi yang cukup tinggi untuk membedakan bintang dan galaksi. Jika Freese dan rekan-rekannya benar, hal ini menunjukkan bahwa galaksi-galaksi kuno tampak sangat banyak dalam data JWST karena banyak di antaranya merupakan SMDS.

Garis penyerapan

Untuk mencari bukti SMDS, ketiganya memeriksa data dari JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Dalam survei tersebut, mereka mencari bukti adanya cahaya pada panjang gelombang tertentu yang diserap oleh calon bintang. Secara khusus, mereka tertarik pada garis serapan helium-II 1640 nm yang sering diamati pada spektrum bintang terang dan panas.

“Garis serapan helium-II akan menjadi senjata ampuh bagi bintang gelap, karena galaksi tidak akan menghasilkan garis seperti itu,” kata Freese. “Jika ditemukan unsur selain hidrogen dan helium, maka itu bukanlah bintang gelap.”

Saat mereka menelusuri dengan JADES, mereka mengidentifikasi beberapa objek yang sangat cocok dengan kriteria SMDS mereka. “Kami menemukan bahwa tiga di antaranya cocok dengan SMDS,” lanjut Freese. “Mereka memiliki spektrum yang tepat, meskipun resolusi detektor belum dapat menentukan apakah ini objek titik atau objek luas.”

Di masa depan, tim berharap JWST akan mengambil kandidat SMDS yang telah diperbesar oleh pelensaan gravitasi – yang dapat meningkatkan resolusi cukup tinggi untuk memastikan bahwa objek tersebut memang merupakan titik cahaya tunggal, bukan galaksi yang luas. “Jika beberapa objek awal ini adalah bintang gelap dan bukan galaksi, hal ini akan membantu menjaga konsistensi pengamatan JWST dengan model standar kosmologi,” kata Freese.

Selain itu, konfirmasi ini bisa menjadi terobosan besar dalam pemahaman kita tentang sifat materi gelap, dan memberikan bukti lebih lanjut mengenai keberadaan WIMP.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika