Seperti apa galaksi baru yang baru lahir? Selama ini, banyak ahli astrofisika dan kosmologis menganggap bahwa galaksi baru akan terlihat seperti bola dan cakram seperti yang dikenal dalam alam semesta modern.
Namun, berdasarkan analisis dari gambar-gambar baru dari Teleskop Luar Angkasa James Webb, galaksi-galaksi bayi tidaklah berbentuk bola atau cakram. Mereka berbentuk seperti pisang. Atau acar, atau cerutu, atau papan selancar – pilihlah metafora Anda sendiri. Itu adalah kesimpulan sementara dari tim astronom yang mengkaji gambar-gambar sekitar 4.000 galaksi bayi yang diamati oleh Webb pada awal waktu.
“Ini adalah hasil yang mengejutkan dan tak terduga, meskipun sudah ada petunjuknya dengan Hubble,” kata Viraj Pandya, seorang peneliti pasca doktoral di Universitas Columbia, yang merujuk pada Teleskop Luar Angkasa Hubble. Dia adalah penulis utama sebuah makalah yang segera akan diterbitkan dalam Astrophysical Journal dengan judul provokatif “Galaksi Banana.” Dr. Pandya dijadwalkan memberikan presentasi tentang karyanya pada hari Rabu dalam pertemuan American Astronomical Society di New Orleans.
Jika hasil ini benar, para astronom mengatakan bahwa hal itu dapat mengubah pemahaman mereka tentang bagaimana galaksi muncul dan tumbuh. Hal ini juga dapat memberikan wawasan tentang sifat misterius dari materi gelap, bentuk materi yang tidak diketahui dan tak terlihat yang diyakini menjadi bagian besar dari alam semesta dan beratnya melebihi materi atom 5 banding 1. Materi gelap melingkupi galaksi dan memberikan tempat tumbuh bagi galaksi-galaksi baru.
Hasil ini didasarkan pada petunjuk dari pengamatan sebelumnya dari teleskop Hubble bahwa galaksi-galaksi awal berbentuk seperti acar, kata Joel Primack, seorang astronom di Universitas California, Santa Cruz, dan salah satu penulis makalah baru ini.
Dalam sebuah email, Alan Dressler dari Carnegie Observatories, yang tidak terlibat dalam penelitian Dr. Pandya, menggambarkan hasil ini sebagai “penting – saya pikir itu penting – sangat penting, jika benar.”
“Saya masih meragukan hasil ini, mengingat seberapa sulitnya membuat pengukuran seperti ini,” tambahnya. “Terutama untuk galaksi-galaksi yang jauh, kecil, dan tidak terlalu terang (saya berbicara tentang galaksi-galaksi).”
Tim Dr. Pandya menganalisis gambar-gambar galaksi di wilayah langit yang lebih kecil dari bulan purnama yang dikenal sebagai Extended Groth Strip, yang telah disurvei oleh banyak teleskop lain termasuk teleskop Hubble. Gambar-gambar tersebut diperoleh melalui kerjasama internasional yang disebut Cosmic Evolution Early Release Science, atau CEERS, survey.
Tim ini berencana untuk memperluas pengamatan mereka ke daerah-daerah lain di kosmos yang telah banyak diteliti. “Ini akan memungkinkan kami mengidentifikasi galaksi-galaksi dengan bentuk tiga dimensi yang berbeda di seluruh langit” dan memfasilitasi pengamatan spektroskopis yang sangat dibutuhkan, tulis Dr. Pandya dalam sebuah email.
Galaksi-galaksi adalah kota-kota negara bagian di kosmos. Dalam alam semesta yang terlihat, diperkirakan ada sekitar dua triliun galaksi, masing-masing berisi sekitar satu triliun bintang. Namun, alam semesta yang terlihat hanya sebagian kecil dari apa yang ada di luar sana. Sebagian besar materi di kosmos tampaknya berbentuk materi gelap; apa pun materi gelap itu, itu merupakan tulang-tulang tak terlihat dari alam semesta yang kita lihat.
Astronom sekarang berpikir bahwa galaksi-galaksi berasal dari fluktuasi acak dalam kepadatan materi dan energi selama Big Bang. Saat ruang berkembang, area yang lebih padat tertinggal dan materi gelap berkumpul, menarik materi normal bersamanya. Materi ini akhirnya kembali bersatu dan menyala sebagai bintang dan galaksi atau menghilang ke dalam lubang hitam. Teleskop Webb dirancang untuk menyelidiki era formatif dan misterius ini; dengan cermin raksasa dan sensor inframerah, teleskop ini dapat melihat galaksi-galaksi paling jauh, dan dengan demikian paling awal.
Dr. Pandya dan rekan-rekannya menyelidiki bentuk tiga dimensi dari galaksi-galaksi dengan menganalisis secara statistik proyeksi dua dimensi mereka di langit. Jika galaksi-galaksi awal ini berbentuk bola atau cakram yang secara acak terorientasi di ruang, mereka kadang-kadang akan menampilkan wajah penuh mereka, terlihat bulat dan berbentuk lingkaran, pada teleskop.
Tetapi para astronom tidak melihat banyak hal itu. Sebaliknya, mereka melihat banyak acar dan pisang.
“Mereka terlihat sangat linear,” kata Dr. Pandya, “dengan beberapa galaksi menunjukkan gumpalan-gumpalan terang yang diatur seperti mutiara di kalung.”
Galaksi-galaksi berbentuk oval seperti itu jarang terjadi hari ini, tetapi mereka membentuk hingga 80 persen dari galaksi-galaksi dalam sampel CEERS, yang mencakup sekitar 500 juta tahun setelah Big Bang.
“Massa mereka memungkinkan mereka menjadi leluhur galaksi seperti Bima Sakti,” kata Dr. Pandya, “mengimplikasikan bahwa galaksi kita sendiri mungkin telah mengalami fase morfologi berbentuk cerutu / papan selancar yang serupa di masa lalu.”
Dalam alam semesta modern, galaksi tampaknya hadir dalam dua bentuk dasar: awan berbentuk bulat tanpa fitur yang disebut elipsoidal, dan cakram berbentuk seperti jaring laba-laba seperti rumah Bima Sakti kita.
Ternyata bayi-bayi yang baru lahir tidak dimulai seperti itu. Alasan ini, para astronom menduga, terkait dengan sifat materi gelap, tetapi persis mana dan bagaimana masih belum jelas.
Teori utama menyatakan bahwa materi gelap terdiri dari awan partikel subatomik eksotis yang tersisa dari Big Bang. Materi biasa, yang ditarik oleh gravitasi ke dalam awan-awan ini, akan mengkondensasikan dan menyala menjadi bintang dan galaksi, sesuai dengan simulasi komputer.
Dalam variasi populer yang disebut materi gelap dingin, partikel-partikel tersisa ini akan lebih berat dan lambat dibandingkan dengan proton, neutron, dan penghuni kuantum atom lainnya yang lebih akrab. Menurut simulasi komputer, materi gelap dingin akan dengan mudah menggumpal membentuk pola besar yang terlihat oleh para astronom di langit.
Mengidentifikasi partikel-partikel lambat dan berat ini akan mengguncang dunia fisika partikel dan kosmologi. Tetapi hingga saat ini, eksperimen di laboratorium seperti Large Hadron Collider di CERN gagal mendeteksi atau menghasilkan partikel-partikel dari materi gelap dingin. Baru-baru ini, minat telah beralih ke bentuk-bentuk yang diusulkan lain dari materi gelap, termasuk galeri lengkap – “sektor gelap” – dari partikel “gelap” yang saling berinteraksi secara tidak terlihat melalui kekuatan “gelap”.
Dalam campuran ini ada aksion, yang dalam teori sangat ringan dan bertindak lebih seperti gelombang daripada partikel – “materi gelap samar” atau “materi gelap berombak,” dalam bahasa sehari-hari. Dalam simulasi komputer tentang pembentukan galaksi, gelombang-gelombang seperti itu dapat saling mengganggu satu sama lain, menghasilkan struktur filamen yang bergerigi daripada bentuk bulat yang diprediksi oleh materi gelap dingin.
“Ya, koneksi dengan materi gelap sangat menarik,” kata Dr. Pandya, menambahkan bahwa setan ada dalam detail “gastrophysics” yang berantakan, yang menjelaskan bagaimana turbulensi, gas panas, dan medan magnet berinteraksi untuk menyinari bintang dan galaksi.
Jeremiah Ostriker, seorang profesor astronomi emeritus di Princeton yang sekarang terafiliasi dengan Universitas Columbia, dalam beberapa tahun terakhir telah memperhatikan materi gelap samar. Pada tahun 1973, Dr. Ostriker memperkenalkan konsep materi gelap dengan rekan kerjanya di Princeton, James Peebles.
Dia dan orang lain telah menunjukkan bahwa materi gelap samar akan meninggalkan jejaknya sendiri pada ukuran dan bentuk galaksi bayi. Karena gelombang intrinsiknya, aksion tidak akan menggumpal seefektif materi gelap dingin, sehingga sulit bagi mereka untuk menghasilkan galaksi bayi dengan massa kurang dari satu miliar massa matahari. Materi gelap dingin tidak memiliki batasan seperti itu. Teleskop saat ini masih jauh dari cukup sensitif untuk mengamati bayi-bayi seperti itu; mungkin diperlukan generasi baru instrumen yang lebih besar untuk menyelesaikan tugas tersebut.
Ketika Dr. Ostriker mengetahui tentang karya Dr. Pandya, dia berkomentar bahwa prospek bagi materi gelap samar semakin baik. “Lanjutkan pekerjaan yang bagus.” katanya.