Inilah Cara Astronom Menemukan Galaksi Terjauh di Alam Semesta

GN-z11, galaksi terjauh yang pernah ditemukan melalui bidang observasi GOODS-N yang dicitrakan oleh Hubble. Bidang pandang serupa jika diobservasi WFIRST, akan enam puluh kali lebih baik.
NASA, ESA, dan P. Oesch (Universitas Yale)

Salah satu pelajaran yang bisa kita petik dari sains abad ke-20 adalah di mana pun lokasi kita di alam semesta, kita tidak akan bisa melarikan diri dari kepungan kilauan galaksi yang mengisi kosmos. Di segala arah, di semua jarak, jika kita menatap cukup jauh ke luar angkasa, teleskop akan menemukan koleksi spektakuler cahaya yang bersumber dari objek yang terletak miliaran tahun cahaya. Sekitar 13,8 miliar tahun telah berlalu setelah Big Bang, kosmos terus meluas dan mengandung sekitar 2 triliun galaksi.

Tantangan utama yang dihadapi oleh para astronom modern adalah untuk menemukan galaksi terjauh. GN-z11 adalah pemegang rekor galaksi terjauh saat ini dan akan segera dipecahkan dalam waktu dekat. Dan inilah cara kita melakukannya.

Dalam gambar di sebelah kiri, gugus galaksi masif MACS J1149+2223 mendominasi pemandangan. Pelensaan gravitasi gugus galaksi raksasa mempekuat cahaya yang berasal dari galaksi di latar belakang, MACS 1149-JD. Di kanan atas, menampilkan citra close-up lokasi MACS 1149-JD, yang diperbesar kembali seperti terlihat di kanan bawah.
NASA/ESA/STSCI/JHU

Langkah pertama untuk menemukan galaksi terjauh adalah dengan cara melihat wilayah langit yang tampaknya hampa sejauh mungkin. Metode ini mengumpulkan jumlah cahaya terbesar dalam resolusi tertinggi, yang memungkinkan kita untuk menentukan struktur sumber cahaya yang teramati.

Pemegang rekor galaksi terjauh ditemukan melalui observasi wilayah langit tertentu menggunakan Teleskop Antariksa Hubble NASA selama berjam-jam, berhari-hari, atau bahkan berminggu-minggu. Jika mengamati objek dua kali lebih lama, kita dapat mengumpulkan cahaya dua kali lebih banyak untuk mendeteksi galaksi yang redup. Dengan mencitrakan satu wilayah langit selama total 23 hari observasi, eXtreme Deep Field (XDF) Hubble telah menghasilkan sebuah gambar dari wilayah kosmik terjauh.

Citra XDF Hubble yang mengungkap ribuan galaksi hanya dari sepersejuta wilayah langit. Bahkan dengan segala keampuhan pencitraan Hubble dan metode pelensaan gravitasi, masih ada galaksi di luar sana yang belum bisa kita amati.
NASA, ESA, H. Teplits dan M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STSCI), R. Windhorst (Universitas Negeri Arizona), dan Z. LEVAY (STSCI)

Tetapi ini semua sama sekali tak terkait dengan upaya untuk menemukan galaksi terjauh, meskipun kita telah menghabiskan seluruh waktu dan energi hanya untuk melihat satu petak kecil langit. Tentu saja, kita telah mengamati sekitar 5.500 galaksi di wilayah yang hanya mewakili1/32.000.000 langit, termasuk banyak galaksi yang terletak puluhan miliar tahun cahaya dari Bumi.

Bagaimana galaksi terlihat berbeda pada titik yang berbeda sepanjang sejarah kosmos: lebih kecil, lebih biru, lebih muda, dan belum terlalu berevolusi.
NASA, ESA, P. Van Dokkum (Universitas Yale), S. Patel (Universitas Leiden), dan Tim 3D HST

Melalui observasi semacam ini, tujuan utama kita adalah untuk menentukan beberapa fakta spektakuler yang menegaskan gambaran tentang kosmos. Secara khusus, kita telah memperoleh wawasan bahwa:

• galaksi terjauh ukurannya lebih kecil dan kurang masif daripada galaksi modern, mengindikasikan aktivitas penyatuan di antara mereka dan pertumbuhan dari waktu ke waktu,
• mereka tampak lebih berwarna biru dan secara intrinsik lebih bercahaya, mengindikasikan laju produksi bintang yang lebih tinggi pada awal sejarah kosmos, 
• dan bentuk mereka tidak elips, lebih banyak yang berbentuk spiral dan tidak beraturan di wilayah jauh alam semesta, menyediakan informasi bahwa mereka menjalani tahap evolusi.

Selain itu, kita mengetahui obsevatorium saat ini belum bisa mengamati sebagian besar galaksi yang kita harapkan, karena mereka terlalu redup dan terlalu jauh.

Lebih sedikit galaksi yang terlihat berada di dekatnya, karena kombinasi antara penggabungan dan evolusi galaksi tidak memungkinkan kita untuk melihat galaksi ultra jauh dan ultra redup itu sendiri.
NASA / ESA

Kita mungkin telah menangkap fakta yang membingungkan. Alam semesta hanya berusia sekitar 13,8 miliar tahun, tetapi galaksi terjauh yang bisa kita amati terletak puluhan miliar tahun cahaya. Bukan salah ketik, mengingat alam semesta juga terus meluas. Ketika sebuah galaksi jauh memancarkan cahayanya di masa lalu, ia berada di jarak tertentu dari kita pada saat memancarkan cahaya. Tetapi ketika cahaya merambat ke arah kita, waktu berlalu sementara jalinan ruang terus membentang dan meluas.

Bahkan setelah memancarkan cahaya, galaksi jauh semakin menjauhi kita. Cahaya adalah batas kecepatan kosmos, namun cahaya harus melalui ruang yang meluas karena ekspansi kosmos. Pada saat tiba di Bumi, cahaya dari galaksi jauh telah menempuh perjalanan selama lebih dari 13 miliar tahun, tetapi galaksi sumber cahaya sekarang telah terletak sekitar 30 miliar tahun cahaya dari Bumi, sementara cahayanya mengalami pergeseran merah karena ekspansi kosmos.

Bahkan alam semesta itu sendiri juga menjalani tahap evolusi. Tak lama setelah Big Bang, hanya ada partikel-partikel bebas, mereka terlalu energik untuk membentuk struktur yang stabil dan saling terikat. Saat kosmos meluas dan mendingin, partikel-partikel bebas mulai membentuk proton, inti atom dan atom netral. Akhirnya atom netral membentuk ikatan di bawah gaya gravitasi untuk menggumpal menuju ke pembentukan bintang generasi pertama dan selanjutnya galaksi generasi pertama.

Namun galaksi generasi pertama masih tertanam di lautan atom netral yang menghalangi cahaya kasat mata dari bintang. Emisi radiasi ultraviolet panas dari bintang yang baru terbentuk kemudian memecah elektron dari atom netral yang mendorong tahap evolusi ionisasi kosmos ketika berusia lebih dari 500 juta tahun.

Diagram skematis sejarah kosmos. Sebelum bintang atau galaksi terbentuk, alam semesta penuh dengan atom netral yang menghalangi cahaya. Sementara sebagian besar wilayah kosmos tidak mengalami reionisasi hingga 550 juta tahun lagi, beberapa bintang yang beruntung dapat terbentuk hanya 50-100 juta tahun setelah Big Bang. Dengan instrumen yang tepat, kita dapat mengungkap galaksi pertama yang terlebih dahulu terbentuk.
G. Djorgovski dkk, Caltech Digital Media Center

Ada tiga kendala terbesar yang harus diatasi untuk menemukan galaksi terjauh: mengatasi kesulitan dalam melihat objek ultra-redup dan ultra-jauh, mengkompensasi ekspansi kosmos dan efeknya terhadap cahaya bintang, dan menemukan cara untuk menembus atom netral yang memblokir cahaya bintang.

Kita sangat beruntung, karena menemukan galaksi terjauh GN-z11.

Hanya karena terletak di wilayah yang telah mengalami reionisasi, Hubble dapat menemukan GN-z11. Untuk melihat lebih jauh lagi, kita membutuhkan observatorium yang lebih baik daripada Hubble dan dioptimalkan untuk jenis deteksi semacam ini.
NASA, ESA, DAN A. Feild (STSCI)

Hanya karena faktor keberuntungan kita dapat menemukan GN-z11, yang kebetulan sejajar dengan gugus galaksi latar depan sebagai lensa alami gravitasi dan terletak di sepanjang garis pengamatan yang telah mengalami reionisasi. Ditambah faktor keberuntungan lainnya, karena Hubble kebetulan menatapnya menggunakan kamera inframerah.

Tetapi untuk melangkah lebih jauh, kita tidak boleh sekadar mengandalkan keberuntungan serupa, namun kita harus menggunakan gabungan dari tiga teknik untuk meningkatkan peluang menemukan galaksi yang terletak lebih jauh lagi.

Perbandingan teleskop antariksa James Webb, Hubble dan jajaran teleskop lainnya (inset) dalam hal panjang gelombang dan sensitivitas. James Webb mumpuni untuk mengamati galaksi yang terbentuk pertama kali di alam semesta, sensivitasnya tidak tertandingi.
NASA/Tim JWST

1.) Membangun observatorium berukuran besar untuk melihat wilayah alam semesta jauh. Bagi teleskop berbasis antariksa, mulai dari Hubble yang berdiameter 2,4 m hingga James Webb yang berdiameter 6,5 m, berarti kemampuan pengumpulan cahaya meningkat hingga tujuh kali lipat. Sementara teleskop berbasis darat, mulai dari Keck (11 m), Giant Magellan Telescope (25 m) hingga E-ELT (39 m), kemampuan pengumpulan cahaya juga meningkat tujuh kali lipat. Dengan melihat wilayah langit yang sama dalam waktu satu hari, bukan satu minggu, kita dapat mengumpulkan jumlah cahaya yang setara pada resolusi yang lebih besar.

Tetapi visi spektrum inframerah memungkinkan kita untuk mendeteksi cahaya yang tidak bisa dideteksi Hubble. Menggunakan James Webb, kita bisa mengamati kosmos dalam panjang gelombang inframerah-tengah, sehingga pergeseran merah cahaya bintang yang kita amati akan melewati atom netral yang menghalangi cahaya. Itulah cara termudah.

Gambar konfirmasi garis spektroskopi beberapa galaksi jauh yang pernah ditemukan, memungkinkan para astronom untuk menentukan jarak mereka.
R. SMIT dkk, Nature 553, 178–181 (11 Januari 2018)

2.) Jangan hanya mencari cahaya merah, kita dapat memanfaatkan spektroskopi untuk menentukan jarak dengan otomatis. Upaya kita untuk mencari objek redup yang cahayanya mengalami pergeseran merah, berisiko terjadi kesalahan. Banyak kandidat galaksi ultra-jauh yang kita temukan, setelah dikonfirmasi ulang ternyata tidak benar, galaksi yang mengalami pergeseran merah secara intrinsik lebih merah daripada yang kita perkirakan.

Satu-satunya cara untuk memastikan jarak objek-objek redup adalah dengan memecah cahaya mereka ke panjang gelombang yang berbeda dan menemukan fitur utama yang menunjukkan serapan atom atau emisi. Untungnya, Webb dan jajaran teleskop berbasis darat masa depan dirancang untuk mengatasinya. James Webb, Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) Badan Antariksa Kanada mampu melakukan spektroskopi wide-field, aperture-masking interferometry dan pencitraan pita lebar di seluruh bidang pandangnya, untuk mengungkap bintang dan galaksi paling awal.

Bahkan cahaya dari galaksi terkecil, paling redup dan paling jauh yang pernah diidentifikasi harus merambat menembus debu Bima Sakti untuk mencapai kita. Tanpa mengetahui pengaruh cahaya memerah karena debu galaksi Bima Sakti, data bisa saja salah dikalibrasi, tetapi spektroskopi menawarkan perhitungan jarak galaksi ultra-jauh dengan akurat.
NASA, ESA, R. Bouwens dan G. Illingworth (UC, Santa Cruz)

3.) Lokasi. Jangan sekadar menggunakan teleskop yang lebih baik dengan resolusi yang lebih baik, kekuatan pengumpulan cahaya yang lebih baik, cakupan panjang gelombang yang superior dan instrumentasi yang lebih baik untuk memaksimalkan informasi yang dapat kita ekstrak dari setiap foton. Kita juga dapat memanfaatkan lensa gravitasi alami yang disediakan oleh galaksi masif, quasar dan gugus galaksi.

Setiap massa di alam semesta menekuk jalinan ruang yang dapat dimanfaatkan sebagai lensa gravitasi. Dalam banyak kasus, objek yang seharusnya tidak terlihat, skala kecerahannya dapat meningkat lebih dari 10 kali lipat. Banyak survei yang telah memetakan medan gravitasi di lingkungan sekitar gugus galaksi masif. Wilayah di sekitar gugus galaksi adalah titik awal untuk melangkah lebih jauh.

Citra gugus galaksi MACS 0416 oleh Hubble Frontier Fields, dengan massa gugus yang ditunjukkan dalam warna cyan, sementara pembesaran lensa gravitasi ditunjukkan dalam warna magenta. Wilayah magenta adalah lokasi pembesaran lensa maksimal. Memetakan massa gugus memungkinkan kita untuk mengidentifikasi lokasi pembesaran maksimal dan kandidat ultra-jauh. Tetapi untuk mendapatkan galaksi pertama, kita membutuhkan observatorium yang lebih baik daripada Hubble.
STSCI/NASA/Tim CATS / R. Livermore (UT AUSTIN)

Ketika kosmos hanya berusia kurang dari 2% usianya saat ini, galaksi generasi pertama mungkin terbentuk melalui penggabungan gugus bintang masif, yang menghasilkan ledakan pembentukan populasi bintang. Cahaya berenergi tinggi dari bintang-bintang yang baru dilahirkan berusaha meloloskan diri, tetapi hanya cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang yang dapat menembus atom netral. Ekspansi kosmos lalu merentangkan cahaya jauh melampaui batas observasi Hubble, tetapi teleskop inframerah generasi berikutnya diharapkan mampu mendeteksinya. Jika kita mengamati di wilayah langit yang tepat menggunakan instrumen yang tepat dalam waktu yang cukup lama, rincian akurat galaksi generasi pertama akan terungkap, bahkan akan mendorong kita jauh melampaui perbatasan kosmik galaksi generasi pertama.

Di suatu tempat, galaksi yang pertama kali terbentuk ada di luar sana, menunggu untuk ditemukan. Menjelang tahun 2020, kita berharap dapat memecahkan rekor galaksi terjauh saat ini dan kita tahu bagaimana cara melakukannya.

Ditulis oleh: Ethan Siegel, Kontributor Senior www.forbes.com

Sumber: This Is How We Will Discover The Most Distant Galaxy Ever

#terimakasihgoogle