Kapan Bintang-Bintang Pertama Muncul di Alam Semesta?

Ilustrasi lingkungan kosmik di awal alam semesta setelah beberapa triliun bintang generasi pertama terbentuk, hidup dan mati. Siklus hidup bintang adalah adalah proses utama yang memperkaya kosmos dengan unsur selain hidrogen dan helium. Sedangkan radiasi yang dipancarkan oleh bintang-bintang generasi pertama membuat kosmos lebih transparan terhadap cahaya kasat mata.
NASA/ESA/ESO/Wolfram Freudling dkk. (STECF)

Saat melihat alam semesta saat ini, ada sekitar dua triliun galaksi di dalamnya. Masing-masing galaksi rata-rata mengandung ratusan miliar bintang. Berarti kita dapat melihat sekitar 10²⁴ bintang di alam semesta teramati, sejauh observatorium terbaik dapat membawa kita ke hal yang paling fundamental. Ketika menatap ke jarak yang sangat jauh, kita juga menatap ke masa lalu. Mengingat Big Bang adalah awal alam semesta, maka 13,8 miliar tahun adalah batas seberapa jauh kita dapat kembali ke masa lalu untuk menatap bintang-bintang. Dan ada suatu masa sebelum bintang-bintang generasi pertama terbentuk dan masa saat bintang-bintang generasi pertama muncul di alam semesta. Kapan itu? Kita lebih dekat daripada sebelumnya untuk mengetahui jawabannya.

GN-z11 adalah galaksi terjauh yang pernah diamati, terletak di wilayah yang menjadi lokasi ketika sebagian besar media antargalaksi mengalami reionisasi. Teleskop Antariksa James Webb NASA akan mengungkapnya secara lebih rinci.
NASA, ESA, dan A. Feild (STScI)

Berkat jajaran observatorium terbaik, seperti Teleskop Antariksa Hubble NASA, teleskop berbasis darat berukuran besar dan teleskop antariksa inframerah Herschel dan Spitzer, kita telah menyelami kosmos lebih dalam daripada sebelumnya. Kita telah menemukan banyak galaksi dan quasar yang berasal dari 12-13 miliar tahun yang lalu, dengan segelintir galaksi yang bahkan berusia lebih tua. Pemegang rekor galaksi terjauh hingga saat ini adalah GN-z11, yang berasal dari alam semesta saat berusia 400 juta tahun, atau hanya 3% usianya saat ini. Hanya karena keberuntungan belaka kita dapat mengamatinya. Teleskop generasi saat ini tidak mungkin menemukan bintang atau galaksi yang lebih jauh daripada GN-z11.

Ilustrasi skala logaritma alam semesta teramati. Big Bang adalah batas seberapa jauh kita bisa melihat kembali ke masa lalu, termasuk ekspansi alam semesta yang telah membentang hingga 46 miliar tahun cahaya.
Wikipedia User: Pablo Carlos Budassi.

Bukan karena bintang atau galaksi di luar masa tersebut tidak ada, melainkan sifat dari alam semesta itu sendiri yang pada saat itu menghalangi kita untuk mengamati bintang yang sebenarnya sudah terbentuk. 380.000 tahun setelah Big Bang, kosmos telah cukup mendingin sehingga atom netral stabil dapat terbentuk, tanpa terionisasi oleh radiasi sisa Big Bang. Pada titik ini, belum ada bintang dan membutuhkan waktu puluhan juta atau 100 juta tahun lagi agar gaya gravitasi mulai mengakumulasi materi yang memicu fusi nuklir pertama. Namun saat mulai terjadi, ada dua hal yang bekerja melawan mereka:

1. Ekspansi kosmos, berarti bahkan sinar ultraviolet energi tertinggi, yang berasal dari bintang terpanas turut mengalami pergeseran merah, dari sinar ultraviolet hingga cahaya kasat mata dan inframerah, yang dapat dilihat oleh Hubble. 
2. Alam semesta kemudian dipenuhi atom-atom netral, menghalangi cahaya dari bintang, serupa dengan bagaimana materi netral di galaksi kita mengaburkan pusat galaksi dari pengamatan kita.

Peta kepadatan bintang Bima Sakti dan langit di sekitarnya, yang memperlihatkan Bima Sakti, Awan Magellan Besar, Awan Magellan Kecil dan NGC 104 di sebelah kiri Awan Magellan Kecil, NGC 6205 terletak sedikit di atas dan di sebelah kiri inti galaksi, sedangkan NGC 7078 berada sedikit di bawahnya. Namun, dalam panjang gelombang cahaya kasat mata, pusat galaksi terhalang oleh materi netral di bidang galaksi kita.
ESA/GAIA

Apalagi bintang dan galaksi generasi pertama berbeda dengan generasi saat ini. Komposisi bintang dan galaksi di alam semesta modern terdiri dari sekitar 70% hidrogen, 28% helium dan 1-2% unsur logam yang lebih berat dari hidrogen dan helium. Seluruh bintang melakukan fusi nuklir di bagian inti untuk melebur hidrogen menjadi helium, selanjutnya helium memperkaya kosmos dengan unsur-unsur yang lebih berat. Komposisi bintang di alam semesta awal hanya terdiri dari 75% hidrogen, 25 % helium, dan 0% logam. Jadi bintang-bintang generasi pertama masih murni atau secara eksklusif hanya terbuat dari hidrogen dan helium, tanpa logam yang mencemari mereka. Kandidat terbaik yang kita miliki untuk membuktikannya adalah populasi bintang di galaksi CR7, yang cahayanya telah menempuh perjalanan selama lebih dari 13 miliar tahun untuk mencapai mata kita.

Ilustrasi CR7, galaksi generasi pertama yang diperkirakan menjadi rumah bagi bintang-bintang Populasi I. Teleskop Antariksa James Webb akan mengungkap galaksi-galaksi serupa secara lebih mendetail.
ESO/M. Kornmesser

Secara teori, kita dapat menggunakan informasi yang kita ketahui untuk mensimulasikan dengan tepat kapan bintang-bintang generasi pertama terbentuk. Karena kita sudah tahu beberapa hal berikut: 

• berapa banyak wilayah yang lebih padat saat kosmos berusia 380.000 tahun,
• apa hukum fisika (seperti gravitasi dan elektromagnetisme) yang berlaku bagi materi dan radiasi,
• berapa banyak materi, radiasi, materi gelap, dan neutrino yang menyusun kosmos pada saat itu,
• dan bagaimana proses pendinginan, penyusutan dan gravitasi memengaruhi ekspansi kosmos.

Kita bisa menjalankan sebuah simulasi tentang kondisi yang memicu reaksi berantai fusi nuklir untuk pertama kalinya, yang membentuk bintang-bintang generasi pertama.

Teknologi saat ini belum mampu untuk mengamati bintang-bintang generasi pertama, karena materi netral menghalangi cahaya yang mereka pancarkan. Setelah alam semesta mengalami reionisasi, maka ada cukup banyak bintang yang memancarkan ultraviolet untuk mengubah atom-atom netral menjadi plasma terionisasi, yang dapat ditembus oleh ultraviolet dan cahaya kasat mata. Era reionisasi terjadi setelah alam semesta berusia antara 500-550 juta tahun. Dan hanya karena keberuntungan belaka, galaksi purba GN-z11 terletak di wilayah yang kebetulan mengalami reionisasi dari sudut pandang kita.

Secara umum, yang perlu kita lakukan adalah mempelajari bagian inframerah dari sisa cahaya, mengingat atom-atom netral kurang efektif menghalanginya.

Empat panel ini menunjukkan wilayah pusat Bima Sakti dalam empat panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang yang lebih panjang (submillimeter) berada di panel teratas, inframerah-jauh dan inframerah-dekat (panel ke-2 dan 3), sedangkan cahaya kasat mata panel terbawah. Debu kosmik dan latar depan bintang-bintang mengaburkan pusat galaksi jika diamati dalam panjang gelombang cahaya kasat mata.
ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser

Kita dapat mengetahui semua itu setelah mengamati galaksi kita sendiri, yang tampak buram dalam panjang gelombang cahaya kasat mata dan ultraviolet, namun lebih transparan dalam panjang gelombang yang lebih panjang. Inilah sebabnya visi inframerah Teleskop Antariksa James Webb akan mewakili kemajuan yang luar biasa. Ukuran Webb memang lebih besar daripada Hubble, dengan instrumentasi yang lebih canggih, namun lompatan besar sains akan dicapai oleh Webb yang didesain untuk mengamati kosmos dalam panjang gelombang inframerah-tengah, sekitar 20 kali lipat lebih baik daripada Hubble. Secara teori, Webb seharusnya dapat mengamati cahaya dari galaksi dan gugus bintang saat alam semesta berusia antara 150-250 juta tahun.

Webb tak sekadar tujuh kali lipat lebih baik daripada Hubble dalam hal kekuatan pengumpulan cahaya, namun mumpuni untuk menyelami alam semesta dengan spektrum inframerah, untuk mengungkap galaksi terjauh yang tak bisa diraih Hubble.
Kredit: Tim Sains Teleskop Antariksa James Webb/NASA.

Kita telah memiliki informasi teoritis untuk menjawab garis waktu alam semesta: 

• saat berusia 550 juta tahun, alam semesta telah mengalami reionisasi,
• usia 400 juta tahun, adalah rekor terbaik untuk melihat galaksi terjauh,
• ketika berusia kurang dari 200 juta tahun, galaksi generasi pertama terbentuk, tepat di sekitar batas visi Webb,
• dan bintang generasi pertama terbentuk saat alam semesta berusia sekitar 50-100 juta tahun. 

Tapi masih ada beberapa hal lagi yang harus dilakukan untuk sains. Bahkan Webb tidak akan membawa kita untuk menggapai bintang-bintang generasi pertama, tapi setidaknya kita mengetahui lokasi dan kapan mereka tercipta. Jika alam berpihak kepada kita, mungkin Webb akan memberikan kita banyak sampel bintang-bintang murni yang belum tercemar unsur logam.

Alam semesta menunggu kita untuk mengungkap misteri yang melingkupinya. Kita hanya perlu mengamati. Seiring upaya kita membangun observatorium yang lebih baik untuk mendapatkan data yang lebih akurat, pemahaman kita tentang kosmos tentunya turut meningkat.

Ditulis oleh: Ethan Siegel, kontributor www.forbes.com

Sumber: When Did The First Stars Appear In The Universe?

#terimakasihgoogle