[비즈한국] Para astronom menggunakan berbagai metode untuk mengukur jarak hingga ke galaksi yang jauh. Jika kita dapat mengetahui kecerahan sebenarnya dari sebuah objek langit melalui karakteristik astrofisika yang kita pahami, terlepas dari jaraknya (dan jika kita dapat mempercayainya), kita dapat menggunakan objek tersebut sebagai lilin standar untuk menentukan jarak. Namun, ada masalah mendasar dan krusial di sini. Yaitu, rentang jarak yang dapat dijangkau berbeda-beda tergantung pada metode pengukuran yang digunakan.
Bintang variabel Cepheid, yang kecerahannya berubah secara periodik seiring dengan penyusutan dan pemuaian yang terus-menerus, pada dasarnya hanyalah sebuah bintang biasa. Kecerahannya tidak terlalu tinggi. Oleh karena itu, jika jaraknya terlalu jauh, hampir mustahil untuk membedakan dan mengamati bintang variabel Cepheid yang berada di galaksi tersebut. Jadi, bintang variabel Cepheid hanya dapat digunakan secara signifikan untuk mengukur jarak hingga puluhan juta tahun cahaya.
Untuk jarak yang lebih jauh, diperlukan lilin standar baru yang lebih terang agar dapat terlihat dari kejauhan. Contohnya adalah supernova tipe Ia. Meskipun hanya berupa ledakan satu bintang, kilatannya sangat terang sehingga terlihat seterang seluruh galaksi yang terdiri dari ratusan miliar bintang. Berkat ini, supernova tipe Ia dapat diterapkan untuk mengukur jarak galaksi hingga miliaran tahun cahaya. Tentu saja, muncul masalah di mana semakin jauh rentang aplikasinya, semakin besar pula margin kesalahannya.
Biasanya, saat mempelajari tangga jarak (distance ladder) astronomi di sekolah, hanya poin ini yang dibahas. Namun, metode pengukuran jarak yang digunakan dalam astronomi yang sebenarnya sangat beragam. Hal ini mencerminkan kerja keras para astronom yang berusaha mencari tahu kecerahan asli objek langit meski dalam kondisi tidak mengetahui jaraknya. Melihat hubungan antara metode pengukuran jarak yang saling terkait secara kompleks, rasanya istilah yang lebih tepat daripada "tangga jarak" yang lurus adalah "jaring jarak" yang saling terjalin rumit.
Tangga jarak adalah salah satu filosofi dasar astronomi yang menjadi fondasi kita dalam mengukur skala alam semesta yang luas sejak akhir abad ke-20. Namun, belakangan ini, seiring James Webb mengamati berbagai galaksi dengan resolusi yang belum pernah ada sebelumnya, tangga ini mulai retak. Di sinilah benih perdebatan besar astronomi versi abad ke-21 (yang saya perkenalkan di kolom sebelumnya) mulai muncul.
Wendy Freedman, seorang astronom dari Universitas Chicago, ingin memverifikasi secara lebih sistematis dan objektif apakah ada masalah dengan jarak ke galaksi yang selama ini kita ukur. Pertama, ia memilih 10 galaksi yang diamati oleh James Webb. Masing-masing galaksi ini mengandung berbagai lilin standar, termasuk bintang variabel Cepheid. Semuanya juga mengandung supernova tipe Ia. Jadi, berdasarkan hasil analisis, ia dapat memverifikasi validitas metodologi yang digunakan untuk mengukur jarak ke galaksi yang lebih jauh menggunakan supernova tipe Ia.
Dalam penelitian ini, selain bintang variabel Cepheid, tim Freedman menggunakan dua lilin standar utama lainnya. Pertama adalah metode TRGB (Tip of the Red Giant Branch), yaitu menggunakan puncak tertinggi dari cabang raksasa merah. Jika semua bintang dalam sebuah galaksi diurai satu per satu, kecerahan dan suhu setiap bintang dapat dipetakan. Hal ini dapat digambarkan dalam satu grafik. Sama seperti diagram warna-magnitudo yang menunjukkan distribusi kecerahan dan suhu bintang di dalam gugus bintang, galaksi pun dapat digambarkan seperti itu.
Dalam diagram warna-magnitudo galaksi, terdapat beberapa karakteristik menarik, salah satunya adalah cabang raksasa merah. Raksasa merah adalah tahap di mana bintang berevolusi menjadi lebih besar dan suhunya mendingin. Saat bintang terus memuai, suhunya berangsur-angsur menjadi lebih dingin. Namun, karena bintang itu sendiri memuai dengan sangat besar, kecerahan bintang justru semakin meningkat. Akan tetapi, raksasa merah tidak bisa menjadi lebih terang tanpa batas. Akhirnya, bintang yang terlalu besar tidak dapat menahan batasnya dan melepaskan lapisan kulit luarnya.
Menariknya, batas ketahanan raksasa merah diketahui sudah ditentukan. Dengan kata lain, kecerahan raksasa merah paling terang yang dapat dilihat di gugus bintang atau galaksi bisa dianggap hampir sama. Jika kita menggambar diagram warna-magnitudo dengan bintang-bintang di gugus atau galaksi, kita dapat melihat "cabang raksasa merah" di mana bintang-bintang terdistribusi memanjang secara vertikal di ujung paling kanan. Para astronom memperkirakan bahwa kecerahan maksimum di ujung atas cabang tersebut akan tetap konstan. Bintang raksasa merah paling terang di ujung atas cabang tersebut berperan sebagai semacam lilin standar. Metode ini disebut metode TRGB.
Lilin standar lainnya yang digunakan dalam penelitian ini adalah bintang J-AGB (J-region Asymptotic Giant Branch). Bintang-bintang ini memiliki kandungan karbon yang sangat tinggi karena bintang-bintang masif tersebut telah melakukan fusi nuklir selama bertahun-tahun. Jika melihat komposisi kimianya, kandungan karbonnya lebih banyak daripada oksigen. Itulah sebabnya bintang ini juga disebut bintang karbon. Karena karakteristik kimianya, bintang karbon memancarkan cahaya yang sangat terang, terutama di wilayah inframerah dekat, dibandingkan cahaya tampak. Karena sangat terang, tidak sulit untuk menangkap sosoknya meskipun berada di galaksi yang jauh.
Tentu saja, kecerahan bintang karbon tidak sepenuhnya konstan, tetapi jika melihat distribusi kecerahan bintang karbon yang telah diamati sejauh ini, ia membentuk distribusi normal yang cukup rapi berdasarkan kecerahan rata-rata tertentu. Oleh karena itu, para astronom menggunakan bintang karbon sebagai lilin standar tambahan yang dapat menyimpulkan kecerahan sebenarnya dengan mempertimbangkan sedikit kesalahan statistik. Bintang karbon sangat menguntungkan dalam pengamatan James Webb, terutama karena James Webb adalah teleskop yang mengamati tepat di inframerah dekat.
Freedman membagi tim risetnya menjadi tiga tim berdasarkan tiga lilin standar: bintang variabel Cepheid, TRGB, dan bintang karbon. Ia meminta setiap tim untuk memilih satu lilin standar dan mencari jarak ke 10 galaksi tersebut secara baru. Menariknya, Freedman mengelola agar setiap tim tidak saling berbagi informasi. Untuk perbandingan yang adil, ia melakukan semacam tes buta (blind test) di mana setiap tim tidak bisa mengetahui perkembangan penelitian tim lain sampai hasil akhirnya diumumkan. Setelah selesai menghitung, tim riset berkumpul dan mengungkap hasilnya. Hasilnya sangat menarik.
Hasil perhitungan laju ekspansi alam semesta yang hanya menggunakan bintang variabel Cepheid adalah 72,5 km/s/Mpc. Ini adalah hasil yang mirip dengan laju ekspansi alam semesta yang telah lama diperkirakan berdasarkan fenomena pergerakan mundur galaksi. Sebaliknya, hasil dari dua lilin standar lainnya sangat berbeda. Hasil dengan TRGB adalah 69,85 km/s/Mpc, dan hasil dengan bintang karbon (J-AGB) adalah 67,96 km/s/Mpc. Jika ketiga nilai tersebut dirata-ratakan, hasilnya sekitar 69,96±2 km/s/Mpc.
Yang menarik adalah hasil yang diperoleh dari TRGB dan bintang karbon—bukan bintang variabel Cepheid—ternyata sangat selaras dengan laju ekspansi alam semesta sebesar 69 km/s/Mpc yang diperkirakan dari pengamatan radiasi latar belakang kosmik!
Pada awalnya, misteri "Hubble Tension" menjadi perdebatan karena adanya perbedaan antara laju ekspansi alam semesta yang dihitung dari radiasi latar belakang kosmik dengan yang dihitung dengan membandingkan jarak dan kecepatan mundur galaksi. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian Freedman, jika kita menggunakan jarak galaksi yang dihitung dengan dua lilin standar lainnya (TRGB dan bintang karbon) alih-alih bintang variabel Cepheid, maka Hubble Tension akan hilang dengan rapi! Baik menggunakan galaksi maupun pengamatan radiasi latar belakang kosmik, laju ekspansi alam semesta keduanya berada di kisaran 69 km/s/Mpc. Nilai tersebut hanya melonjak jika kita menyimpulkan jarak galaksi menggunakan bintang variabel Cepheid.
Sederhananya, ini adalah situasi di mana jarak ke galaksi yang sama bisa berbeda sedikit tergantung pada lilin standar apa yang digunakan untuk mengukurnya. Bukankah ini sangat membingungkan? Mengapa masalah ini bisa terjadi?
Menanggapi hal ini, Freedman mengangkat kemungkinan bahwa metode pengukuran jarak menggunakan bintang variabel Cepheid mungkin memiliki beberapa masalah. Jika ada banyak awan debu di sekitar variabel bintang yang menghalangi cahaya bintang, hal itu dapat sangat memengaruhi kecerahan bintang yang diamati. Selain itu, karena bintang variabel Cepheid sering berkumpul sangat rapat, ada kemungkinan dua atau tiga bintang terlihat menumpuk menjadi satu bintang, dan ada risiko kecerahan atau suhu bintang berubah tergantung pada kandungan logam berat yang dikandungnya. Ia menjelaskan bahwa dengan menerima bintang variabel Cepheid sebagai lilin standar yang terlalu praktis tanpa mempertimbangkan fisika bintang yang mendetail ini, kesalahan besar dapat terjadi dalam memperkirakan jarak ke galaksi.
Pertanyaan Freedman perlu ditanggapi dengan sangat serius. Ini karena dalam tangga jarak yang memungkinkan kita mengukur skala alam semesta selangkah demi selangkah, bintang variabel Cepheid secara efektif menempati posisi dominan yang setara dengan langkah pertama. Jika memang ada masalah yang tidak bisa diabaikan dalam metodologi pengukuran jarak menggunakan bintang variabel Cepheid, maka akan muncul masalah di mana skala pengukuran jarak lain yang bertumpu di atasnya perlu disesuaikan kembali dengan lebih cermat.
Namun, segera setelah makalah Freedman diterbitkan, Adam Riess, seorang astronom dari Universitas Johns Hopkins, langsung mengajukan bantahan. Ia adalah salah satu dari tiga orang yang memenangkan Hadiah Nobel Fisika karena menemukan ekspansi percepatan alam semesta melalui pengamatan supernova tipe Ia. Saat ini, ia memimpin proyek SHOES (Supernovae and HO for the Dark Energy Equation of State), yang bertujuan untuk menghitung laju ekspansi alam semesta secara lebih presisi dengan mengamati lebih banyak galaksi dan supernova.
Riess mengemukakan masalah bahwa Freedman melebih-lebihkan hasil yang diperoleh dari perbandingan hanya 10 galaksi. Misalnya, ia mengklaim bahwa jika timnya mengumpulkan data hingga 42 galaksi yang diamati dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan menganalisis hasilnya, hasil yang diperoleh dari bintang variabel Cepheid tidak akan jauh berbeda dengan hasil yang diperoleh dari lilin standar lainnya.
Di sisi lain, Freedman memberikan sanggahan balik terhadap bantahan Adam Riess, dengan menjelaskan bahwa timnya melakukan analisis hanya pada 10 galaksi yang pengamatannya telah selesai dilakukan oleh James Webb demi perbandingan yang adil secara statistik. Namun, Riess kembali memberikan kontra-sanggahan dengan menyajikan bukti bahwa tim riset SHOES miliknya telah mengonfirmasi hasil bahwa jarak galaksi yang dihitung dengan bintang variabel Cepheid dan TRGB adalah cocok.
Perdebatan antara Freedman dan Riess jauh lebih membingungkan daripada perdebatan klasik Hubble Tension yang menjadi cikal bakal penelitian ini. Hal ini terjadi karena dua tim riset memberikan klaim yang sama sekali berbeda mengenai data yang sama yang diamati dengan teleskop yang sama.
Jika klaim Freedman benar, misteri Hubble Tension yang telah menyiksa para astronom selama ini dapat terpecahkan dengan cara yang tak terduga dan mengecewakan. Tidak diperlukan perubahan besar pada fisika yang mengguncang fondasi materi gelap dan energi gelap. Hanya saja, karena ada sedikit kesalahan dalam jarak ke galaksi yang diukur dengan bintang variabel Cepheid, nilai tersebut tidak cocok dengan laju ekspansi alam semesta yang diperkirakan dari radiasi latar belakang kosmik. Namun, ini justru memicu kekhawatiran yang lebih sulit. Karena dengan begitu, akan muncul masalah untuk menyesuaikan kembali jarak ke galaksi-galaksi yang selama ini diukur dengan bintang variabel Cepheid.
Sebaliknya, jika klaim Riess benar, pada akhirnya Hubble Tension akan tetap tak terpecahkan. Situasi yang membosankan akan terus berlanjut tanpa perubahan berarti. Namun, untungnya, kita bisa merasa lega karena jarak ke galaksi yang dihitung dengan bintang variabel Cepheid tidak memiliki masalah besar. Kita dapat terus mengukur skala alam semesta dengan bintang variabel Cepheid dan menyesuaikan pijakan tangga jarak seperti yang selama ini kita lakukan.
Situasi di mana dua astronom tertentu berdiri di depan dan saling bertukar makalah serta respons dengan sengit. Kira-kira alam semesta kita lebih dekat dengan imajinasi yang mana di antara keduanya? Bagaimana kesimpulan akhir dari perdebatan besar baru abad ke-21 yang berlangsung lebih sengit daripada abad ke-20 ini?
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240806153F/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240803474L/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240800065L/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2e0a
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1ddd
https://www.quantamagazine.org/the-webb-telescope-further-deepens-the-biggest-controversy-in-cosmology-20240813/
Siapakah penulis Ji Ung-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, ia menonton 'Galaxy Express 999' dan bermimpi untuk mengabarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.