Para astronom mendekati sinyal kuno dari 'salah satu periode yang paling belum dijelajahi di alam semesta kita'
Jauh sebelum cahaya bintang memenuhi kosmos untuk pertama kalinya, alam semesta muda mungkin telah mendidih, menurut sebuah studi baru.
Temuan ini menunjukkan bahwa sekitar 800 juta tahun setelah Big Bang, energi dari lubang hitam yang baru lahir dan bara api yang memudar dari bintang-bintang pertama telah menghangatkan awan besar gas hidrogen antargalaksi, memberikan gambaran langka tentang masa muda alam semesta yang sebagian besar belum dipetakan.
Para astronom mengetahui bahwa alam semesta dimulai dalam keadaan yang sangat panas dan padat, yaitu Ledakan Besarsekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, dan kemudian mendingin dengan cepat seiring dengan perluasannya. Sekitar 400.000 tahun kemudian, suhu turun hingga proton dan elektron dapat bergabung menjadi atom hidrogen netral, dan kosmos tergelincir ke dalam “zaman kegelapan kosmik” — bentangan panjang tanpa cahaya saat ruang angkasa terselubung oleh kabut tebal gas hidrogen.
Gema alam semesta
Karena pengamatan langsung terhadap bintang-bintang pertama di alam semesta tidak mungkin dilakukan – bintang-bintang tersebut terlalu redup, berumur terlalu pendek, dan terlalu jauh bahkan untuk dideteksi oleh teleskop paling canggih sekalipun – para astronom malah mencari sidik jari halus yang ditinggalkan bintang-bintang tersebut dalam gas hidrogen yang mengelilinginya.
Dalam studi baru tersebut, Nunhokee dan timnya menganalisis data selama hampir satu dekade dari Murchison Widefield Array, sebuah teleskop radio canggih yang terletak di gurun terpencil Australia Barat, untuk mencari “bisikan” radio samar dari hidrogen kuno tersebut.
Sinyal muncul ketika satu-satunya proton dan elektron atom hidrogen membalik putarannya relatif satu sama lain – perubahan kecil yang mengubah energi atom dan menyebabkannya memancarkan atau menyerap foton pada panjang gelombang tertentu. Para astronom memburu gema radio samar dari transisi ini, yang muncul pada panjang gelombang 21 sentimeter – atau, menurut instrumen kami, frekuensi sekitar 1,42 gigahertz. Karena kekuatan sinyal dipengaruhi oleh suhu dan lingkungan gas hidrogen di sekitarnya, maka ia bertindak seperti termometer kosmik, mengungkapkan bagaimana bintang-bintang pertama dan lubang hitam mulai mempengaruhi alam semesta awal.
Namun, mendeteksi sinyal kuno ini sangatlah sulit. Itu terkubur di bawah lapisan kebisingan radio yang jauh lebih kuat dari Bimasaktigalaksi terdekat lainnya, atmosfer bumi, dan bahkan teleskop itu sendiri. Untuk mengungkapnya, tim mengembangkan teknik penyaringan statistik baru untuk menghilangkan sinyal latar depan dan mengisolasi emisi gas hidrogen yang paling mungkin terjadi sekitar 800 juta tahun setelah Big Bang.
Pendekatan baru ini menghasilkan peta radio paling bersih dari alam semesta awal dan menetapkan batasan paling ketat sejauh ini pada kekuatan sinyal 21 sentimeter, kata tim tersebut dalam penelitian tersebut.
Meskipun berfokus pada apa yang digambarkan Nunhokee sebagai “semacam masa sulit di mana kami hanya memiliki sedikit sumber,” dan menggunakan “data terbaik yang kami miliki”, tim tersebut tidak menemukan bukti yang menunjukkan sinyal tersebut. “Karena sangat lemah, sangat sulit,” katanya.
Setelah membersihkan data, para peneliti tidak melihat tanda khas yang mengindikasikan “awal dingin” untuk reionisasi. Fitur ini akan terlihat dalam data mereka jika alam semesta, sekitar 800 juta tahun setelah Big Bang, tetap dingin hingga bintang-bintang pertama menyala, sehingga hasilnya menunjukkan bahwa alam semesta lebih hangat dari perkiraan, menurut penelitian tersebut.
“Seiring dengan evolusi alam semesta, gas di antara galaksi-galaksi mengembang dan mendingin, sehingga diperkirakan suhunya akan sangat, sangat dingin,” kata penulis utama studi tersebut. Cathryn Trottseorang profesor di Curtin Institute of Radio Astronomy, mengatakan dalam a penyataan. “Pengukuran kami menunjukkan bahwa ia setidaknya memanas dalam jumlah tertentu. Tidak banyak, tapi ini memberi tahu kita bahwa reionisasi yang sangat dingin tidak mungkin terjadi – ini sangat menarik.”
Model kosmologis menunjukkan sinar-X dari lubang hitam awal dan sisa-sisa bintang masif kemungkinan besar menjadi penyebab pemanasan gas antargalaksi jauh sebelum cahaya bintang memenuhi kosmos, kata Nunhokee.
Teknik pembersihan data baru yang dilakukan tim ini juga menjadi landasan penting bagi Square Kilometer Array (SKA) yang akan datang. Para ilmuwan mengatakan teleskop radio generasi berikutnya, yang sekarang sedang dibangun di Australia dan Afrika Selatan, akan memiliki sensitivitas untuk mendeteksi secara langsung sinyal 21 sentimeter yang sulit dipahami.
“Kami tahu apa yang kami cari,” kata Nunhokee. “Kita hanya perlu beberapa jam saja [SKA’s] data yang akan memungkinkan kita mencapai level yang kita inginkan.”
