Dengan waktu berjalan dari kanan ke kiri, visualisasi ini menunjukkan pembentukan bintang-bintang pertama dari kabut hidrogen netral setelah Cosmic Dawn alam semesta.
(Gambar: © NASA / STScI)
Paul Sutter adalah seorang astrofisika di The Ohio State University dan kepala ilmuwan di pusat sains COSI. Sutter juga menjadi pembawa acara Ask a Spaceman dan Space Radio, dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini untuk Suara Ahli Space.com: Op-Ed & Insights.
Mungkin wahyu terbesar dalam seratus tahun terakhir mempelajari alam semesta adalah bahwa rumah kita berubah dan berkembang seiring waktu. Dan tidak hanya dalam cara-cara kecil dan tidak penting seperti bintang bergerak, awan gas mengompresi dan bintang besar sekarat dalam ledakan dahsyat. Tidak, seluruh kosmos kita telah mengubah karakter fundamentalnya lebih dari satu kali di masa lalu yang jauh, sepenuhnya mengubah keadaan internalnya pada skala global - yaitu, skala universal.
Ambil contoh, fakta bahwa pada suatu waktu di masa lalu yang berkabut dan tidak diingat dengan baik, tidak ada bintang.
Sebelum lampu pertama
Kita tahu fakta sederhana ini karena keberadaan latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), pemandian radiasi lemah tapi persisten yang membasahi seluruh alam semesta. Jika Anda menemukan foton acak (sedikit cahaya), ada kemungkinan besar itu berasal dari CMB - cahaya itu mengambil lebih dari 99,99 persen dari semua radiasi di alam semesta. Ini adalah sisa peninggalan dari saat alam semesta baru berusia 270.000 tahun, dan beralih dari plasma panas yang bergolak menjadi sup netral (tanpa muatan positif atau negatif). Transisi itu mengeluarkan radiasi panas-panas yang, selama 13,8 miliar tahun, mendingin dan membentang ke dalam gelombang mikro, memberi kita cahaya latar belakang yang dapat kita deteksi hari ini. [Latar Belakang Mikro Kosmik: Dijelaskan Big Bang Relic (Infografis)]
Pada saat rilis CMB, alam semesta sekitar sepersejuta dari volumenya saat ini dan ribuan derajat lebih panas. Itu juga hampir seluruhnya seragam, dengan perbedaan kepadatan tidak lebih besar dari 1 bagian dalam 100.000.
Jadi, bukan keadaan di mana bintang-bintang bisa dengan senang hati ada.
Abad Kegelapan
Dalam jutaan tahun setelah rilis CMB (yang dikenal sebagai "rekombinasi" di kalangan astronomi, karena kesalahpahaman historis bahkan pada zaman sebelumnya), alam semesta berada dalam keadaan ganjil. Ada pancaran radiasi putih-panas yang terus-menerus, tetapi radiasi itu dengan cepat mendingin ketika alam semesta melanjutkan perluasannya yang tak terhindarkan. Ada materi gelap, tentu saja, nongkrong mengurus bisnisnya sendiri. Dan ada gas yang sekarang netral, hampir seluruhnya hidrogen dan helium, akhirnya dilepaskan dari perjuangannya dengan radiasi dan bebas untuk melakukan apa pun yang diinginkannya.
Dan apa yang senang dilakukan adalah bergaul dengan sebanyak mungkin dari dirinya sendiri. Untungnya, itu tidak harus bekerja sangat keras: Di alam semesta yang sangat awal, fluktuasi kuantum mikroskopis diperbesar menjadi hanya perbedaan kecil dalam kepadatan (dan mengapa itu terjadi adalah cerita untuk hari lain). Perbedaan kepadatan kecil ini tidak memengaruhi ekspansi kosmologis yang lebih besar, tetapi mereka memengaruhi kehidupan hidrogen netral itu. Setiap tambalan yang sedikit lebih padat dari rata-rata - bahkan dengan sedikit, sangat kecil - memiliki tarikan gravitasi yang sedikit lebih kuat pada tetangganya. Tarikan yang ditingkatkan mendorong lebih banyak gas untuk bergabung dengan pesta, yang memperkuat tarikan gravitasi, yang mendorong lebih banyak tetangga dan sebagainya.
Seperti musik keras di pesta rumah yang bertindak sebagai lagu sirene untuk mendorong lebih banyak orang yang bersuka ria, selama jutaan tahun gas yang kaya menjadi lebih kaya dan gas yang buruk menjadi semakin buruk. Melalui gravitasi sederhana, perbedaan kepadatan kecil tumbuh, membangun aglomerasi besar materi pertama dan mengosongkan lingkungan mereka.
"Fajar kosmik" pecah
Di suatu tempat, di suatu tempat, sekelompok hidrogen netral beruntung. Menumpuk lapisan demi lapisan luar biasa pada dirinya sendiri, inti terdalam mencapai suhu dan kepadatan kritis, memaksa inti atom bersama dalam pola yang rumit, memicu fusi nuklir dan mengubah bahan baku menjadi helium. Proses yang ganas itu juga melepaskan sedikit energi, dan dalam sekejap bintang pertama lahir.
Untuk pertama kalinya sejak belasan menit pertama Dentuman Besar, reaksi nuklir terjadi di alam semesta kita. Sumber cahaya baru, yang menghiasi kosmos, membanjiri ruang kosong yang pernah kosong dengan radiasi. Tapi kami tidak yakin kapan peristiwa penting ini terjadi; pengamatan zaman ini sangat sulit. Pertama, jarak kosmologis yang luas bahkan mencegah teleskop kita yang paling kuat untuk mengamati cahaya pertama itu. Yang membuatnya lebih buruk adalah bahwa alam semesta awal hampir seluruhnya netral, dan gas netral tidak memancarkan banyak cahaya sejak awal. Baru setelah beberapa generasi bintang-bintang merekatkan diri mereka sendiri untuk membentuk galaksi-galaksi kita bahkan dapat memperoleh petunjuk samar tentang zaman yang penting ini.
Kami menduga bahwa bintang-bintang pertama terbentuk di suatu tempat dalam beberapa ratus juta tahun pertama di alam semesta. Tidak lama kemudian kita memiliki pengamatan langsung terhadap galaksi, inti galaksi aktif dan bahkan permulaan gugusan galaksi - struktur paling masif yang akhirnya muncul di alam semesta. Beberapa saat sebelum mereka bintang-bintang pertama harus tiba, tetapi tidak terlalu dini, karena kondisi sibuk alam semesta bayi akan mencegah pembentukan mereka.
Melewati cakrawala
Meskipun James Webb Space Telescope yang akan datang akan mampu menunjukkan galaksi awal dengan presisi yang sangat baik, menawarkan banyak data tentang alam semesta awal, bidang pandang teleskop yang sempit tidak akan memberi kita gambaran keseluruhan dari era ini. Para ilmuwan berharap bahwa beberapa galaksi paling awal mungkin mengandung sisa-sisa bintang pertama - atau bahkan bintang itu sendiri - tetapi kita harus menunggu dan (secara harfiah) melihat.
Cara lain untuk membuka fajar kosmik adalah melalui kekhasan mengejutkan hidrogen netral. Ketika kuantum memutar elektron dan proton terbalik secara acak, hidrogen memancarkan radiasi dengan panjang gelombang yang sangat spesifik: 21 sentimeter. Radiasi ini memungkinkan kita untuk memetakan kantong hidrogen netral di Bima Sakti modern kita, tetapi jarak ekstrem ke era fajar kosmik menimbulkan tantangan yang berbeda sama sekali.
Masalahnya adalah bahwa alam semesta telah mengembang sejak era yang telah lama mati, yang menyebabkan semua radiasi intergalaksi merentang ke panjang gelombang yang lebih panjang. Saat ini, sinyal hidrogen netral primordial memiliki panjang gelombang sekitar 2 meter, menempatkan sinyal dengan kuat di pita radio. Dan banyak hal lain di alam semesta - supernova, medan magnet galaksi, satelit - cukup keras pada frekuensi yang sama, mengaburkan sinyal samar dari tahun-tahun awal alam semesta.
Ada beberapa misi di seluruh dunia yang berusaha memahami sinyal fajar-kosmik yang menarik, menggali bisikan primordialnya dari hiruk pikuk masa kini, dan mengungkap kelahiran bintang-bintang pertama. Tetapi untuk sekarang, kita hanya harus menunggu dan mendengarkan.
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Apa yang membangkitkan fajar kosmik?" di podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Joyce S. untuk pertanyaan yang mengarah pada bagian ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @ PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami @Spacedotcom, Facebook, dan Google+. Artikel asli di Space.com.
