Hubble Ukur Jarak Galaksi Messier 100 demi Nilai Konstanta Hubble

Kredit: Wendy L. Freedman, Observatorium of the Carnegie Institution of Washington dan NASA

Tim astronom dari berbagai negara telah mengumumkan hasil pengukuran jarak paling akurat terhadap galaksi spiral terpencil Messier 100 yang terletak di Gugus Galaksi Virgo. Menggunakan Teleskop Antariksa Hubble NASA, pengukuran jarak berpotensi mengarah ke perhitungan laju ekspansi kosmos yang disebut Konstanta Hubble, demi menentukan usia dan ukuran alam semesta.

“Meskipun hanya langkah pertama dari program utama sistematis untuk mengukur skala, ukuran dan usia alam semesta, jarak akurat Gugus Galaksi Virgo adalah tonggak penting untuk skala jarak extragalactic dan memberikan implikasi besar bagi Konstanta Hubble,”  tulis Dr. Wendy L. Freedman dari Observatories of the Carnegie Institution of Washington.

Deteksi bintang-bintang variabel Cepheid Messier 100 oleh Hubble adalah cara yang digunakan untuk menetapkan jarak Gugus Galaksi Virgo, dengan hasil 56 juta tahun cahaya (plus minus 6 juta tahun cahaya). Messier 100 kini menjadi galaksi terjauh yang bintang variabel Cepheidnya  telah diukur secara akurat.

Pengukuran jarak ini memungkinkan para astronom untuk menentukan laju ekspansi kosmos yang jatuh pada angka 80 km/detik/megaparsec (plus minus 17 km/detik). Hasil ini berarti setiap galaksi yang terletak satu juta tahun cahaya dari Bumi akan menjauhi kita dengan kecepatan sekitar 60.000 mil per jam. Jika terletak dua kali lebih jauh, maka galaksi akan menjauh dua kali lebih cepat dan seterusnya. Laju ekspansi inilah yang disebut Konstanta Hubble.

Hasil penelitian telah diterbitkan di jurnal Nature edisi 27 Oktober oleh tim astronom yang dipimpin oleh Freedman, Dr. Robert Kennicutt (Steward Observatory, University of Arizona) dan Dr. Jeremy Mould (Mount Stromlo and Siding Spring Observatories, Australian National University).

Dalam makalah ilmiah, Dr. Mold menulis, “Mereka yang memelopori pengembangan Teleskop Antariksa Hubble pada tahun 1960-an dan 1970-an, mengakui potensi istimewa Hubble untuk menghitung nilai Konstanta Hubble. Visi masa depan mereka telah terbayar dengan data luar biasa dari Messier 100.”

Menggunakan Wide-Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) Hubble, tim berulang kali mencitrakan bidang pandang lokasi-lokasi pabrik bintang yang baru saja memproduksi bintang dan melimpah dengan variabel Cepheid, tipe bintang denyut yang digunakan untuk menentukan jarak kosmik. Dua belas kali eksposur dalam waktu satu jam, yang ditempatkan secara strategis di jendela pengamatan selama dua bulan, telah menemukan 20 bintang variabel Cepheid.

Sekitar 40.000 bintang diteliti untuk menemukan tipe bintang langka yang skala kecerahannya dapat diprediski secara periodik ini. Setelah periode dan skala kecerahan intrinsik mereka diketahui, tim memperoleh hasil 56 juta tahun cahaya untuk jarak Messier 100.

Banyak proyek komplemen berbasis darat yang saat ini terus digelar untuk menentukan nilai Konstanta Hubble. Namun mereka menghadapi kendala ketidakpastian, satu hal yang dari semula diantisipasi oleh desain Teleskop Antariksa Hubble. Sebagai contoh, satu tim astronom yang menggunakan teleskop Kanada-Prancis-Hawaii di Mauna Kea, juga telah memperoleh hasil perhitungan jarak Messier 100 yang tak terlalu jauh berbeda dari Hubble, tetapi hasil perhitungan diragukan karena hanya didasarkan pada tiga variabel Cepheid di tengah kepadatan konsentrasi bintang.

“Hanya teleskop antariksa yang bisa melakukan pengamatan semacam ini dengan rutin,” Freedman menjelaskan. “Biasanya Cepheid terlalu redup dan teleskop berbasis darat kesulitan untuk mendeteksi Cepheid di wilayah galaksi jauh di tengah kepadatan konsentrasi bintang.”

Meskipun Messier 100 kini menjadi galaksi terjauh yang bintang variabel Cepheidnya  telah diukur secara akurat, tim menekankan agar proyek Teleskop Antariksa Hubble harus juga terhubung ke galaksi-galaksi yang lebih jauh, sebelum menyepakati angka pasti untuk usia dan ukuran kosmos. Ini karena galaksi-galaksi di sekitar Gugus Virgo terganggu oleh konsentrasi massa galaksi di dekat gugus sehingga mempengaruhi tingkat ekspansi.

Memperbaiki Nilai Konstanta Hubble

Messier 100, contoh sempurna dari galaksi spiral grand design.
Kredit: ESA/Hubble & NASA

Hasil pertama yang diperoleh dari Teleskop Antariksa Hubble adalah langkah krusial untuk menentukan nilai sejati Konstanta Hubble yang pertama kali digagas pada tahun 1929 oleh Edwin Hubble. Astronom legendaris asal Amerika Serikat ini mengungkap fakta bahwa semakin jauh jarak sebuah galaksi, semakin cepat ia menjauh dari kita. Efek “ekspansi seragam” yang menjadi bukti kuat teori “Big Bang” dan alam semesta yang terus mengembang sejak saat itu.

Untuk menghitung Konstanta Hubble, para astronom harus mempunyai dua angka kunci: kecepatan resesi galaksi dan jarak galaksi yang diprediksi oleh satu atau lebih “penanda jarak” kosmik, seperti Cepheid.

Konstanta Hubble hanya salah satu dari beberapa angka kunci untuk memperkirakan usia kosmos, karena usia alam semesta juga tergantung pada rata-rata kepadatan materi di alam semesta.

Interpretasi sederhana nilai Konstanta Hubble, sebagaimana dihitung dari observasi Teleskop Antariksa Hubble, mengindikasikan usia sekitar 12 miliar tahun untuk alam semesta dengan kepadatan rendah dan 8 miliar tahun untuk alam semesta dengan kepadatan tinggi. Namun interpretasi sederhana juga terbentur dengan dilema klasik, karena usia kosmos ternyata lebih muda daripada perkiraan usia beberapa bintang tertua yang ditemukan di galaksi Bima Sakti, termasuk di dalam gugus bintang globular yang mengorbit Bima Sakti. Selain itu, perkiraan usia kosmos yang lebih muda juga bersinggungan dengan teori pembentukan dan pengembangan struktur berskala besar yang diamati di alam semesta.

Penanda Jarak Kosmik

Para astronom memanfaatkan perubahan siklus dalam skala kecerahan bintang variabel Cepheid untuk menentukan jarak astronomi. Panah putih menunjuk ke bintang variabel Cepheid di galaksi Andromeda yang diamati oleh Hubble (kotak inset).
Kredit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA), R. Gendler

Skala kecerahan bintang variabel Cepheid berubah secara periodik selama interval hari (Delta Cephei, prototipe variabel Cepheid adalah bintang paling terang keempat di rasi bintang sirkumpolar Cepheus). Selama lebih dari setengah abad, dari penelitian para astronom terkemuka, Edwin Hubble, Henrietta Leavitt, Allan Sandage, dan Walter Baade, ditemukan relasi langsung antara frekuensi denyut dengan skala kecerahan bintang variabel Cepheid.

Setelah magnitudo diketahui, jarak variabel Cepheid langsung dapat dihitung karena penurunan intensitas cahaya pada tingkat geometris yang dapat diprediksi. Meskipun jarang ditemukan, variabel Cepheid adalah “lilin standar” yang sangat diandalkan untuk menentukan jarak antar galaksi.

Selain menjadi lokasi perburuan ideal variabel Cepheid, Messier 100 juga menyediakan indikator jarak lain yang bisa dikalibrasi dengan pengukuran variebal Cepheid. Sebagai galaksi spiral grand design face-on, Messier 100 adalah induk beberapa ledakan dahsyat supernova, salah satu indikator jarak yang andal. Supernova Tipe II (bintang masif yang meledak) dapat diamati dari jarak yang sangat jauh, oleh karena itu supernova bisa dimanfaatkan untuk memperluas skala jarak kosmik yang lebih jauh di luar Gugus Galaksi Virgo.

Sebagai konfirmasi silang terhadap hasil perhitungan oleh tim, perhitungan jarak Messier 100 juga telah diperkirakan menggunakan “Tully-Fisher relation” atau metode perkiraan jarak ke galaksi spiral menggunakan laju rotasi maksimum untuk memprediksi kecerahan intrinsik. Pengukuran independen ini mengkonfirmasi Cepheid dan supernova yang menjadi “tolak ukur”.

Tolak Ukur Kosmik

Bintang variabel RS Puppis, salah satu bintang variabel Cepheid paling terang di galaksi Bima Sakti.
Kredit: NASA/ESA/ Hubble Heritage Team

Para astronom mengukur dimensi ruang menggunakan “indikator jarak”, yaitu benda langit dengan beberapa sifat unik agar jaraknya dapat disimpulkan. Pengukuran jarak antara benda langit adalah faktor terpenting untuk menentukan nilai laju ekspansi kosmos (Konstanta Hubble), demi memperkirakan ukuran dan usia alam semesta. (Untuk menghitung Konstanta Hubble, para astronom juga harus mengetahui seberapa cepat galaksi bergerak menjauh dari kita yang diukur dengan pergeseran merah spektral).

Mengukur jarak sebuah galaksi yang terletak begitu jauh melibatkan serangkaian langkah rumit yang saling terkait erat. Pertama, indikator jarak di dalam galaksi Bima Sakti digunakan sebagai batu loncatan untuk mengkalibrasi indikator jarak lainnya di galaksi terdekat, yang pada gilirannya menghasilkan batu loncatan lain untuk mengkalibrasi jarak ke galaksi yang lebih jauh lagi.

Anak tangga pertama pada “tangga skala jarak” dapat ditemukan di lingkungan Bima Sakti kita sendiri, yaitu di gugus bintang terbuka terdekat seperti Hyades dan Ursa Mayor. Gugus bintang terbuka adalah ikatan bintang-bintang belia dengan beberapa sifat unik, dan dimanfaatkan sebagai indikator jarak karena pergerakan mereka yang identik. Mengingat Hyades dan Ursa Mayor adalah gugus bintang terdekat dari Bumi, jarak mereka dapat ditentukan menggunakan metode kecepatan radial dan pengukuran pergerakan bintang di dalam gugus. Kedua metode ini memungkinkan para astronom untuk mengetahui kecerahan intrinsik (luminositas) dari berbagai tipe bintang di dalam gugus.

Para astronom kemudian mengukur skala kecerahan bintang di gugus terbuka yang lebih jauh dengan karakteristik serupa. Dengan mengasumsikan kecerahan intrinsik mereka akan identik dengan bintang-bintang lain di dekatnya, gugus terbuka yang berada lebih jauh bisa dihitung melalui perbandingan kecerahan semu dan intrinsik bintang-bintang anggota gugus.

Untuk memperoleh jarak ke galaksi terdekat, para astronom memanfaatkan “indikator jarak primer”, yaitu benda langit yang dapat diamati di galaksi kita sendiri atau benda langit dengan karakteristik yang dapat dimodelkan secara teoritis, seperti bintang variabel Cepheid, nova, supernova, dan bintang RR Lyrae.

Dua indikator jarak primer yang terdefinisi dengan baik (lilin standar) adalah bintang variabel Cepheid dan bintang RR Lyrae yang lebih redup. Kedua tipe bintang ini memiliki variasi skala kecerahan teratur dan periode denyut yang terkait dengan kecerahan intrinsik. Jika periode denyut bintang telah diketahui, skala kecerahan bintang dapat disimpulkan. Jarak bintang kemudian dapat dihitung dengan membandingkan kecerahan sejati dan kecerahan semu.

Bintang variabel Cepheid kerap digunakan sebagai kalibrator jarak untuk galaksi terdekat. Variabel Cepheid adalah bintang raksasa kuning atau supergiant sangat terang dengan variasi kecerahan periodik, antara 1-70 hari. Tipe variabel Cepheid adalah bintang yang menjalani tahap terakhir evolusi, berdenyut karena ketidakseimbangan antara gaya gravitasi yang menarik ke dalam dan tekanan yang mendorong keluar.

Variabel Cepheid ditemukan di gugus bintang terbuka yang jaraknya sangat jauh dan diungkap setelah dibandingkan dengan gugus bintang terbuka terdekat. Oleh karena itu, para astronom lebih mudah mengkalibrasi Cepheid dengan tolak ukur kosmik secara independen.

Di masa lalu, bahkan observasi berbasis darat mampu mendeteksi Cepheid di galaksi terdekat yang terletak sekitar 12 juta tahun cahaya. Namun, pergerakan galaksi di wilayah jauh terpengaruh oleh pasang surut gaya gravitasi. Untuk mempelajari ekspansi kosmos secara keseluruhan, dibutuhkan variabel Cepheid di galaksi yang setidaknya terletak 30 juta tahun cahaya dari Bumi.

Sebelum Teleskop Antariksa Hubble mengambil alih, dengan mengamati banyak variabel Cepheid di galaksi Messier 100, belum ada “lilin standar” yang terkalibrasi dengan baik pada jarak sejauh ini. Oleh karena itu, para astronom dulu menggunakan jenis objek lain yang disebut “indikator jarak sekunder” untuk menyelam lebih dalam ke wilayah terpencil alam semesta.

Indikator jarak sekunder, seperti nebula planeter, supernova, dan bintang-bintang yang bersinar paling terang di galaksi-galaksi jauh, kerap digunakan karena mereka adalah objek yang paling menonjol. Indikator jarak sekunder kemudian dikalibrasi dengan galaksi yang lebih dekat, yang jaraknya telah ditentukan dari indikator jarak primer, sebelum diterapkan ke galaksi yang lebih jauh lagi. Bahkan galaksi itu sendiri juga dapat digunakan sebagai indikator jarak sekunder.

Salah satu metode yang paling banyak digunakan adalah Tully-Fisher, yang menghubungkan pergerakan internal galaksi dengan kecerahan instrisik. Metode lain adalah Faber-Jackson relation, yang mengamati pergerakan acak bintang di dalam galaksi dari pengukuran spektroskopi. Faber-Jackson relation berbasis pada fakta galaksi-galaksi masif yang lebih terang dan berotasi lebih cepat daripada galaksi yang kurang masif.

Konstanta Hubble

Astronom legendaris Edwin Hubble. Kredit: NASA

Konstanta Hubble (H_o) adalah salah satu nilai terpenting dalam kosmologi karena dibutuhkan untuk memperkirakan ukuran dan usia alam semesta. Nilai yang sudah lama dicari ini mengungkap laju ekspansi kosmos setelah “Big Bang”.

Konstanta Hubble digunakan untuk menentukan kecerahan intrinsik dan massa bintang di galaksi-galaksi terdekat, menentukan karakteristik serupa di galaksi-galaksi yang lebih jauh dan gugus galaksi, menyimpulkan jumlah materi gelap di alam semesta, memperoleh perhitungan skala untuk gugus galaksi jauh dan berfungsi sebagai penguji model kosmologis teoritis.

Pada tahun 1929, astronom legendaris Amerika Serikat Edwin Hubble mempublikasikan penemuannya, dari segala arah, galaksi-galaksi jauh tampak bergerak menjauhi kita. Fenomena ini diamati sebagai pergeseran garis spektral ke ujung merah spektrum galaksi. Pergeseran merah berlangsung lebih cepat untuk galaksi-galaksi redup yang sangat jauh. Oleh karena itu, semakin jauh jarak sebuah galaksi, semakin cepat ia menjauhi Bumi.

Konstanta Hubble dapat dinyatakan dalam ekspresi matematis sederhana sebagai berikut: H_o= v/d, “v” adalah kecepatan galaksi menjauhi kita atau pergerakan di sepanjang garis pandang kita, “d” adalah jarak galaksi dari Bumi, dan H_o adalah nilai Konstanta Hubble.

Namun memperoleh nilai sejati H_o sangat rumit. Para astronom membutuhkan dua pengukuran. Pertama, pengamatan spektroskopi untuk menentukan pergeseran merah galaksi yang mengungkap kecepatan radialnya. Kedua, nilai yang paling sulit ditentukan, yaitu jarak akurat galaksi dari Bumi. “Indikator jarak” andal, seperti bintang variabel dan supernova, harus ditemukan terlebih dahulu di sebuah galaksi. Nilai H_o itu sendiri harus dihitung dengan teliti dari sampel galaksi yang cukup jauh karena pengaruh gravitasi lokal yang tidak kentara.

Satuan Konstanta Hubble adalah “kilometer per detik per megaparsec”. Berarti untuk setiap megaparsec, kecepatan objek jauh akan meningkat beberapa faktor. (Megaparsec adalah 3,26 juta tahun cahaya). Sebagai contoh, jika nilai Konstata Hubble adalah 50 km/dtk/ Mpc, pergeseran merah dari sebuah galaksi berjarak 10 Mpc menurut kecepatan radial adalah 500 km/dtk.

Edwin Hubble pertama kali menghitung nilai Konstata Hubble pada angka 500 km/dtk/Mpc. Sejak itu, nilai Konstata Hubble telah berulangkali direvisi.

Selama tiga dekade terakhir, ada dua jalur studi utama penelitian Konstanta Hubble. Studi pertama digelar oleh tim astronom yang dipimpin Allan Sandage dari Carnegie Institutions, yang telah memperoleh nilai H_o sekitar 50 km/dtk/Mpc. Tim astronom lain yang dipimpin oleh Gerard DeVaucouleurs dari University of Texas, memperoleh nilai 100 km/dtk/Mpc. Adapun program studi utama jangka panjang Teleskop Antariksa Hubble bertujuan untuk memperbaiki akurasi nilai Konstanta Hubble.

Ditulis oleh: Staf hubblesite.org

Sumber: Hubble Space Telescope Measures Precise Distance to The Most Remote Galaxy Yet

#terimakasihgoogle