[비즈한국] Baru-baru ini, para astronom menemukan galaksi dengan lengan spiral yang besar dan jelas dalam data observasi James Webb, yang telah ada di alam semesta saat masih sangat muda, tepat setelah Big Bang! Galaksi primitif berbentuk pusaran ini ditemukan dalam foto yang mengamati ke arah gugus galaksi Abell 2744, dan galaksi ini sudah ada saat usia alam semesta baru 1,5 miliar tahun.
Sebenarnya, kita sudah sangat terbiasa dengan galaksi spiral yang berputar. Galaksi kita, Bima Sakti, adalah salah satunya, dan galaksi Andromeda yang paling terkenal juga merupakan galaksi spiral. Mengapa penemuan ini menarik perhatian besar para astronom padahal bentuk galaksi yang dianggap umum ini hanya ditemukan di ruang angkasa yang jauh?
Hal itu karena kita belum tahu pasti bagaimana lengan spiral galaksi terbentuk. Yang lebih mengejutkan adalah galaksi A2744-GDSp-z4 yang ditemukan kali ini sudah memiliki lengan spiral yang jelas di usia yang sangat dini. Para astronom mengira butuh miliaran tahun bagi sebuah galaksi untuk membentuk lengan spiral yang jelas dan tajam. Namun, pada masa ketika usia alam semesta baru sepersepuluh dari sekarang, galaksi primitif dengan diameter 32.000 tahun cahaya—sepertiga ukuran Bima Sakti—sudah memiliki lengan spiral 'grand design' yang sangat jelas. Ini menyiratkan bahwa lengan spiral galaksi dapat terbentuk jauh lebih cepat daripada yang diperkirakan sebelumnya.
Lengan spiral adalah fenomena yang sangat umum, terlihat di hampir sebagian besar galaksi cakram yang teramati, yaitu lebih dari 70%. Namun, kita masih belum mengetahui asal-usul dan mekanisme pasti dari lengan spiral tersebut. Bagaimana sebenarnya lengan spiral ini terbentuk? Bagaimana seni latte kosmik yang indah dari galaksi-galaksi ini terhampar?
Lengan spiral galaksi sudah diketahui sejak lama, bahkan sebelum istilah 'galaksi' sering digunakan. Hingga sebelum abad ke-20, bagi umat manusia, alam semesta hanyalah Bima Sakti. Awan gas berputar yang terkadang terlihat di langit malam dianggap sebagai awan kecil yang termasuk dalam Bima Sakti kita yang besar. Pada tahun 1840, astronom William Parsons mencatat detail visual M51, yang kini dikenal sebagai Galaksi Pusaran (Whirlpool Galaxy). Saat itu, para astronom menyebut awan gas yang melilit dengan lengan spiral ini sebagai 'nebula spiral'.
Kemudian, melalui penemuan astronom Hubble, diketahui bahwa nebula spiral, termasuk Andromeda, adalah alam semesta terpisah di luar Bima Sakti. Masa kebangkitan astronomi galaksi yang mengenali dan mengeksplorasi galaksi luar dimulai saat ini. Hubble menciptakan sistem klasifikasi berdasarkan bentuk galaksi dalam foto, seperti galaksi elips yang bulat dan galaksi spiral yang membentuk lengan. Nebula spiral sekarang disebut sebagai galaksi spiral.
Untuk waktu yang lama, para astronom mengira lengan spiral galaksi adalah struktur yang tetap. Mereka mengira bintang-bintang di dalam lengan spiral akan terus bergerak dan tetap berada di dalam lengan tersebut. Namun ada masalah. Astronom Jan Oort (pencetus Awan Oort), bersama rekannya Lindblad, meneliti pergerakan bintang di cakram galaksi dan menemukan bahwa bintang-bintang di pusat galaksi berputar jauh lebih cepat dibandingkan bintang-bintang di sekitar Matahari. Matahari kita dan bintang-bintang di sekitarnya membutuhkan waktu 200 juta tahun untuk mengelilingi cakram galaksi, sementara bintang-bintang di pusat galaksi berputar cepat dengan periode kurang dari 20 tahun.
Demikian pula, para astronom mengira bahwa di lengan spiral pun akan ada perbedaan kecepatan yang ekstrem antara bagian dekat pusat galaksi dan bagian yang jauh. Jika demikian, akan muncul masalah di mana lengan spiral semakin melilit karena perbedaan kecepatan rotasi di bagian dalam dan luar. Namun kenyataannya, tidak ada galaksi spiral yang menunjukkan fenomena lengan spiral yang semakin melilit dengan kencang. Mereka hanya mempertahankan bentuk lengan spiral yang besar dan indah. Hal ini disebut sebagai masalah pelilitan (winding problem) lengan spiral.
Pada tahun 1964, sebuah ide jenius diajukan untuk memecahkan masalah pelilitan lengan spiral. Menariknya, fenomena yang persis sama dengan apa yang terjadi di lengan spiral galaksi dapat ditemukan di jalan tol yang macet total. Terkadang saat berkendara di jalan, kita mengalami kemacetan tiba-tiba di bagian jalan tertentu. Kemacetan yang tetap ada tanpa alasan khusus ini disebut juga sebagai kemacetan hantu. Alasannya sederhana. Bayangkan sebuah mobil di jalan tiba-tiba menginjak rem, maka kendaraan di belakangnya juga akan mulai menginjak rem secara berurutan. Kendaraan yang pertama kali menyebabkan kemacetan mungkin kembali melaju dan keluar dari zona macet, tetapi gelombang kemacetan yang sudah dimulai akan terus berlanjut ke belakang.
Dari sini kita bisa mengetahui fakta menarik: kendaraan yang sama tidak terjebak terus-menerus di zona kemacetan. Dengan kata lain, zona kemacetan adalah sejenis gelombang yang tidak ada hubungannya dengan jalan raya itu sendiri maupun mobil yang melaju di atasnya. Itu bukanlah struktur padat yang ada di atas jalan. Semua kendaraan melaju dengan kecepatannya masing-masing, masuk ke zona kemacetan sebentar, lalu keluar lagi. Tidak ada satu pun mobil yang menetap di zona kemacetan. Fenomena ini disebut gelombang kepadatan. Artinya, zona dengan kepadatan tinggi dipertahankan seperti ombak.
Jika karena suatu alasan di cakram galaksi terbentuk zona gelombang kepadatan di mana orbit bintang-bintang tumpang tindih dan kepadatannya meningkat, maka lengan spiral grand design yang besar dapat dipertahankan secara stabil. Jika hipotesis ini benar, lengan spiral jelas yang ditunjukkan oleh banyak galaksi dapat dilihat sebagai lokasi kemacetan lalu lintas yang terus berlanjut di jalan raya bintang selama miliaran, atau bahkan lebih dari 10 miliar tahun. Saat terjebak di jalan yang macet, memikirkan hal ini membuat saya merasa seperti bintang yang sedang melewati tengah-tengah lengan spiral yang besar.
Namun, teori gelombang kepadatan hanya menjelaskan bagaimana lengan spiral yang sudah terbentuk dapat mempertahankan bentuknya dalam waktu lama, tetapi tidak memberi tahu bagaimana lengan tersebut pertama kali dimulai. Dengan kata lain, teori ini menjelaskan mengapa kemacetan yang sudah dimulai tidak kunjung hilang, tetapi kita tidak tahu siapa yang melakukan apa hingga kemacetan itu dimulai sejak awal.
Untuk melengkapi ini, beberapa astronom mencari penyebabnya dalam kehidupan penuh gejolak bintang-bintang yang terus-menerus meledak dan lahir di cakram galaksi. Ini adalah model menarik yang pertama kali diajukan pada tahun 1976 oleh astronom Marc Mueller dan David Arnett. Cakram galaksi sangat padat dengan material gas, sehingga bintang baru lahir satu demi satu. Di antaranya, bintang besar menyelesaikan evolusinya lebih cepat dan akhirnya mengalami ledakan supernova. Gelombang kejut yang dihasilkan saat ini menyebar ke material gas cakram galaksi di sekitarnya, dan material gas yang terdorong oleh gelombang kejut tersebut terkompresi kembali menjadi kepadatan tinggi, yang menyebabkan kelahiran bintang baru lainnya. Ledakan supernova dari bintang besar di satu tempat di cakram secara beruntun mengarah pada kelahiran bintang baru dan ledakan supernova lainnya di sekitarnya.
Selama proses ini berlangsung, tentu saja bintang yang baru lahir dan supernova juga berputar di atas cakram galaksi. Jadi, secara bertahap gelombang kejut menyebar melilit cakram galaksi, dan akhirnya wilayah dengan kepadatan bintang yang tinggi dapat terbentuk secara melilit dalam bentuk spiral di seluruh cakram galaksi. Karena secara probabilistik, kelahiran dan ledakan bintang baru yang berulang-ulang menyebabkan lengan spiral tumbuh dengan sendirinya, model ini disebut sebagai Stochastic Self-Propagating Star Formation, atau disingkat model SSPSF.
Namun model ini pun tidak cukup. Menurut berbagai simulasi resolusi tinggi baru-baru ini, galaksi spiral yang dijelaskan oleh model SSPSF biasanya adalah galaksi spiral berbentuk tidak teratur dengan banyak lengan spiral yang redup dan tipis. Lengan spiral grand design yang menunjukkan hanya dua atau tiga lengan spiral yang besar dan jelas tidak dapat dijelaskan dengan baik.
Kalau begitu, tidak bisakah kita memverifikasi secara observasional teori mana yang benar, teori gelombang kepadatan atau model SSPSF? Menariknya, teori gelombang kepadatan menyajikan prediksi yang sangat penting. Teori gelombang kepadatan, yang menjelaskan lengan spiral seperti zona kemacetan lalu lintas bintang, memprediksi bahwa saat lengan spiral melilit dan bergerak mengelilingi cakram galaksi, ia akan mengompresi gas di cakram sekitarnya untuk menciptakan bintang baru.
Pada saat ini, berbagai bintang lahir, mulai dari bintang bermassa ringan hingga berat. Bintang biru yang berat menyelesaikan evolusinya dengan cepat dan menghilang bersama ledakan supernova. Di sisi lain, bintang merah bermassa ringan yang suhunya lebih dingin bertahan lama dan bisa bergerak sedikit lebih jauh dari zona gelombang kepadatan tempat mereka lahir. Oleh karena itu, menurut teori gelombang kepadatan, harus teramati gradien warna dan usia bintang yang berubah dari biru ke merah di sepanjang lengan spiral galaksi.
Ini adalah prediksi yang sangat intuitif dan penting yang dapat membuktikan teori gelombang kepadatan secara observasional! Dan selama ini, banyak sekali penelitian observasional yang mencoba memverifikasi teori ini. Ini adalah salah satu bidang yang juga sangat saya minati dan teliti. Namun, cukup membingungkan karena hasil yang didapat berbeda-beda tergantung penelitiannya. Beberapa galaksi menunjukkan distribusi warna bintang yang jelas seperti yang diprediksi teori gelombang kepadatan, tetapi galaksi lain tidak. Ada juga galaksi yang menunjukkan kecenderungan sebaliknya. Untuk menjelaskan situasi yang sulit ini, beberapa astronom bahkan mempertimbangkan hipotesis bahwa di beberapa galaksi, lengan spiral bisa berputar mundur.
Faktanya, karena lengan spiral mengandung banyak debu selain bintang dan awan gas, fenomena di mana cahaya bintang meredup akibat debu harus dipertimbangkan dengan cermat. Teleskop luar angkasa baru-baru ini seperti James Webb mengamati dengan sinar inframerah yang dapat menembus debu yang menghalangi pandangan untuk melihat ke dalamnya. Oleh karena itu, kami berharap dapat memverifikasi teori gelombang kepadatan secara lebih sistematis melalui pengamatan tambahan.
Seiring dengan semakin umumnya penelitian simulasi kosmologis resolusi ultra-tinggi menggunakan superkomputer, cara menggambarkan evolusi galaksi juga telah banyak berubah. Sekarang, para astronom tidak lagi berpikir bahwa galaksi mana pun berevolusi sendirian. Semua galaksi telah mengalami berbagai interaksi seperti menabrak atau berpapasan dengan galaksi besar dan kecil di sekitarnya.
Dulu, saat daya komputasi kurang, simulasi dilakukan dengan membuat galaksi virtual ideal yang berdiri sendiri tanpa apa pun di sekitarnya untuk mereproduksi lengan spiral galaksi. Namun ini hanyalah simulasi ideal yang sama sekali tidak mencerminkan realitas alam semesta yang sebenarnya di mana galaksi-galaksi saling berinteraksi dengan kacau. Sekarang, para astronom memperkirakan bahwa masuknya dan tabrakan galaksi satelit kecil yang mengembara di sekitar galaksi besar mungkin telah menimbulkan gelombang di cakram galaksi, dan riak bintang yang dimulai dengan cara itu terus berlanjut hingga sekarang, membentuk lengan spiral grand design yang besar.
Namun, cara ini membutuhkan waktu yang cukup lama. Galaksi spiral primitif yang ditemukan kali ini ada saat usia alam semesta baru 1,5 miliar tahun. Jika kita mempertimbangkan semua proses yang harus dilalui—sebuah galaksi terbentuk, membentuk cakram datar, kemudian lengan spiral mulai terbentuk, dan tumbuh menjadi dua lengan spiral grand design yang jelas—waktu 1,5 miliar tahun itu cukup sempit.
Untuk menyelesaikan kebingungan ini, kita perlu memastikan apakah galaksi yang ditemukan kali ini hanyalah keberuntungan, atau apakah galaksi spiral yang jelas memang sangat umum di ujung alam semesta. Diperlukan penelitian statistik yang luas dengan mengamati peta alam semesta awal yang lebih luas dan memeriksa berapa banyak galaksi yang memiliki lengan spiral di dalamnya.
Mulai dari Teleskop Luar Angkasa James Webb yang telah mengeluarkan data luar biasa selama lebih dari 3 tahun, teleskop luar angkasa Euclid yang akan segera merilis data pengamatannya, hingga teleskop Vera Rubin yang akan melakukan uji pengamatan pertamanya tahun depan, data dalam jumlah besar mencapai puluhan terabyte akan segera membanjir setiap hari. Dengan menganalisis melalui data tersebut bagaimana proporsi galaksi spiral telah berubah dari alam semesta awal tepat setelah Big Bang hingga alam semesta dekat saat ini, dan bagaimana ukuran atau skala lengan spiral telah berubah, kita akan dapat mengetahui asal-usul pasti dari lengan spiral.
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204834J/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1926ApJ....64..321H/abstract
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', dia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi galaksi melalui interaksi galaksi di Galaxy Evolution Research Center dan Near Cosmology Laboratory, Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Some-Taneun Astronomy', 'Thinking About the Universe All Day', dan 'Stars, Science of Light'.