Kredit gambar: NASA
Para astronom yang ingin mempelajari alam semesta awal menghadapi masalah mendasar. Bagaimana Anda mengamati apa yang ada selama "zaman kegelapan," sebelum bintang-bintang pertama terbentuk untuk menerangi itu? Ahli teori Abraham Loeb dan Matias Zaldarriaga (Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian) telah menemukan solusi. Mereka menghitung bahwa para astronom dapat mendeteksi atom pertama di alam semesta awal dengan mencari bayangan yang mereka buat.
Untuk melihat bayang-bayang, seorang pengamat harus mempelajari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) - radiasi yang tersisa dari era rekombinasi. Ketika alam semesta berusia sekitar 370.000 tahun, ia cukup dingin untuk menyatukan elektron dan proton, bergabung kembali menjadi atom hidrogen netral dan memungkinkan radiasi CMB peninggalan dari Big Bang untuk melakukan perjalanan yang hampir tanpa hambatan melintasi kosmos selama 13 miliar tahun terakhir.
Seiring waktu, beberapa foton CMB mengalami gumpalan gas hidrogen dan diserap. Dengan mencari daerah dengan foton lebih sedikit - daerah yang dibayangi oleh hidrogen - para astronom dapat menentukan distribusi materi di alam semesta yang sangat awal.
"Ada sejumlah besar informasi yang tercetak di langit gelombang mikro yang dapat mengajarkan kita tentang kondisi awal alam semesta dengan ketelitian luar biasa," kata Loeb.
Inflasi dan Materi Gelap
Untuk menyerap foton CMB, suhu hidrogen (khususnya suhu eksitasi) harus lebih rendah daripada suhu radiasi CMB - kondisi yang ada hanya ketika alam semesta berusia antara 20 dan 100 juta tahun (usia Semesta: 13,7 miliar tahun). Secara kebetulan, ini juga jauh sebelum pembentukan bintang atau galaksi mana pun, membuka jendela unik ke dalam apa yang disebut "zaman kegelapan".
Mempelajari bayangan CMB juga memungkinkan para astronom untuk mengamati struktur yang jauh lebih kecil daripada yang sebelumnya mungkin menggunakan instrumen seperti Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satelit. Teknik bayangan dapat mendeteksi gumpalan hidrogen sekecil 30.000 tahun cahaya di alam semesta saat ini, atau setara dengan hanya 300 tahun cahaya di alam semesta purba. (Skala ini telah tumbuh lebih besar ketika alam semesta mengembang.) Resolusi semacam itu adalah faktor 1000 kali lebih baik daripada resolusi WMAP.
“Metode ini menawarkan jendela ke dalam fisika alam semesta yang sangat awal, yaitu zaman inflasi di mana fluktuasi dalam distribusi materi diyakini telah dihasilkan. Selain itu, kami dapat menentukan apakah neutrino atau beberapa jenis partikel yang tidak diketahui berkontribusi secara substansial terhadap jumlah 'materi gelap' di alam semesta. Pertanyaan-pertanyaan ini - apa yang terjadi selama zaman inflasi dan apa itu materi gelap - adalah masalah utama dalam kosmologi modern yang jawabannya akan menghasilkan wawasan mendasar tentang sifat alam semesta, "kata Loeb.
Tantangan Observasi
Atom hidrogen menyerap foton CMB pada panjang gelombang spesifik 21 sentimeter (8 inci). Ekspansi alam semesta meregangkan panjang gelombang dalam sebuah fenomena yang disebut pergeseran merah (karena panjang gelombang yang lebih panjang lebih merah). Oleh karena itu, untuk mengamati penyerapan 21-cm dari alam semesta awal, para astronom harus melihat pada panjang gelombang yang lebih panjang 6 hingga 21 meter (20 hingga 70 kaki), di bagian radio dari spektrum elektromagnetik.
Mengamati bayangan CMB pada panjang gelombang radio akan sulit karena gangguan oleh sumber langit latar depan. Untuk mengumpulkan data yang akurat, para astronom harus menggunakan teleskop radio generasi berikutnya, seperti Low Frequency Array (LOFAR) dan Square Kilometer Array (SKA). Meskipun pengamatan akan menjadi tantangan, potensi hasil bagus.
"Ada tambang emas informasi di luar sana yang menunggu untuk diekstraksi. Meskipun deteksi penuhnya mungkin secara eksperimental menantang, namun bermanfaat mengetahui bahwa itu ada dan bahwa kita dapat mencoba mengukurnya dalam waktu dekat, "kata Loeb.
Penelitian ini akan dipublikasikan dalam edisi Physical Review Letters yang akan datang, dan saat ini tersedia secara online di http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Berkantor pusat di Cambridge, Mass., Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics adalah kolaborasi bersama antara Smithsonian Astrophysical Observatory dan Harvard College Observatory. Para ilmuwan CFA, diorganisasikan ke dalam enam divisi penelitian, mempelajari asal usul, evolusi, dan nasib akhir alam semesta.
Sumber Asli: Rilis Berita Harvard CfA
