[비즈한국] Dalam anime ‘Tengen Toppa Gurren Lagann’, muncul sebuah adegan yang mengejutkan. Robot-robot raksasa yang ukurannya menandingi gugus galaksi hingga seluruh alam semesta saling bertarung, dan ada adegan di mana mereka melemparkan galaksi seperti senjata shuriken. Dalam adegan tersebut, galaksi digambarkan sebagai piringan yang sangat tipis layaknya selembar kertas, bahkan galaksi tersebut sampai menancap tipis pada galaksi lain. Sebagai astronom yang meneliti galaksi, adegan ini benar-benar sangat mengejutkan.
Mana mungkin galaksi setipis itu, seolah-olah seperti piringan rekaman? Namun, melihat wujud galaksi yang diamati oleh teleskop James Webb baru-baru ini, mungkin saja penggambaran di anime tersebut tidak sepenuhnya salah. Para astronom telah memilih 111 galaksi dengan piringan yang sangat tipis dari galaksi-galaksi yang diamati oleh James Webb. Galaksi-galaksi ini terletak dalam posisi menyamping (edge-on) jika dilihat dari Bumi, sehingga alih-alih melihat lengan spiral yang melingkar, kita melihatnya sebagai bentuk tipis dari samping. Ini ibarat kita sedang melihat penampang Bimasakti dari dalam galaksi kita sendiri, namun pada galaksi-galaksi jauh yang berjarak ratusan juta hingga miliaran tahun cahaya.
Namun, galaksi-galaksi piringan tipis ini menunjukkan kecenderungan yang menakjubkan. Struktur yang tidak terlihat pada galaksi-galaksi di jarak yang jauh, justru terlihat mulai terbentuk seiring mendekatnya pengamatan ke alam semesta yang lebih dekat. Penemuan ini mengandung petunjuk luar biasa tentang kelahiran galaksi-galaksi yang memiliki piringan tipis, termasuk Bimasakti kita sendiri.
Faktanya, piringan Bimasakti tidaklah tunggal. Piringan Tipis (Thin Disk) dan Piringan Tebal (Thick Disk) hidup berdampingan. Piringan tipis yang membentuk bagian tengah Bimasakti memiliki ketebalan sekitar 1.000 tahun cahaya. Piringan ini sebagian besar terdiri dari bintang-bintang muda yang lahir relatif baru seperti Matahari, dan memiliki kandungan elemen berat seperti oksigen dan karbon yang tinggi. Piringan tebal memiliki ketebalan hingga 3.000 tahun cahaya, dan didominasi oleh bintang-bintang tua yang lahir jauh lebih lama. Itulah sebabnya kandungan logamnya jauh lebih rendah, karena jumlah elemen berat yang ditinggalkan oleh ledakan bintang lebih sedikit.
Sering kali ketika kita mendengar istilah galaksi piringan, kita hanya terpikir pada piringan tipis, namun lebih dari dua pertiga piringan galaksi yang ada di alam semesta juga memiliki piringan tebal. Secara khusus, karena generasi bintang dan kandungan elemen yang membentuk setiap piringan berbeda secara nyata tergantung pada ketebalan dan skala piringan galaksi, maka pertanyaan mengenai bagaimana piringan tebal dan tipis dapat hidup berdampingan, bagaimana masing-masing piringan terbentuk, dan mengapa keduanya dapat dibedakan dengan begitu rapi, menjadi pertanyaan yang sangat penting dalam bidang astronomi yang mempelajari proses pembentukan galaksi.
Mengenai bagaimana piringan galaksi tebal dan tipis terbentuk, secara garis besar terdapat dua hipotesis. Pertama adalah hipotesis bahwa piringan tebal terbentuk terlebih dahulu, baru kemudian piringan tipis terbentuk. Dahulu kala, dalam proses di mana galaksi kerdil besar dan kecil bercampur dan menyatu, materi gas terakselerasi dengan cepat dan dipanaskan dengan hebat. Oleh karena itu, piringan galaksi awal menyebar dengan tebal. Seiring berjalannya waktu, bintang-bintang baru mulai lahir satu per satu di dalam piringan galaksi yang tebal. Begitu banyak bintang terbentuk, berkat gravitasi dari piringan bintang yang baru terbentuk, piringan tebal yang semula menyebar ke atas dan ke bawah perlahan menjadi tenang dan berkumpul, sehingga ketebalan piringan galaksi menjadi tipis. Hipotesis ini menyatakan bahwa setelah waktu yang cukup lama, piringan tipis akan terbentuk di dalam piringan tebal.
Hipotesis kedua adalah kebalikannya. Yaitu hipotesis bahwa piringan tipis terbentuk terlebih dahulu dan piringan tebal terbentuk kemudian. Diasumsikan bahwa pada awalnya bintang-bintang lahir di piringan tipis. Seiring berjalannya waktu, galaksi mengalami interaksi dengan galaksi tetangga, serta mengalami berbagai perubahan dinamis seperti tumbuhnya lengan spiral dan struktur batang pada piringan. Akibatnya, bintang dan materi gas yang semula mengendap tipis di bidang piringan secara bertahap menyebar ke atas dan ke bawah piringan hingga membentuk piringan tebal.
Menariknya, untuk galaksi yang sama di mana piringan tebal dan tipis hidup berdampingan, kedua hipotesis ini menyajikan penjelasan yang bertolak belakang. Hingga baru-baru ini, belum ada kesimpulan pasti mana yang benar. Namun, berkat hasil observasi James Webb baru-baru ini, jawaban mana yang mendekati kebenaran menjadi jelas.
Para astronom memilih 111 galaksi dengan bentuk menyamping (edge-on) di mana piringan galaksi dapat terlihat tipis dalam foto alam semesta yang diambil oleh James Webb. Pengamatan ini mencakup masa lalu hingga 10 miliar tahun yang lalu. Galaksi terjauh menyimpan wujudnya saat alam semesta baru berusia 3,8 miliar tahun. Para astronom membagi galaksi-galaksi tersebut berdasarkan penampakan samping piringannya, yaitu kategori yang hanya memiliki piringan tebal, dan yang memiliki piringan tebal serta piringan tipis secara bersamaan. Kemudian, kecenderungan yang mengejutkan pun terungkap.
Pada galaksi-galaksi di alam semesta yang jauh, piringan tipis tidak terlihat. Sebagian besar hanya memiliki piringan tebal yang menyebar samar. Sebaliknya, saat menuju alam semesta yang lebih dekat dan lebih baru, galaksi-galaksi mulai menunjukkan piringan tipis. Korelasi yang jelas ini memperkuat hipotesis bahwa ketika galaksi pertama kali terbentuk di masa lalu yang jauh, mereka hanya memiliki piringan tebal, dan seiring berjalannya waktu, galaksi-galaksi baru membentuk piringan tipis dan memiliki piringan ganda. Dengan kata lain, di antara dua hipotesis yang menjelaskan proses pembentukan piringan tebal dan tipis, hipotesis yang menjelaskan urutan piringan tebal terlebih dahulu kemudian piringan tipis adalah jawabannya.
Hal ini terlihat lebih jelas jika melihat grafik di atas yang membandingkan massa bintang total galaksi dengan massa yang ditempati oleh piringan di setiap galaksi. Pada grafik, titik berwarna oranye menunjukkan proses pertumbuhan piringan tebal, sedangkan titik berwarna biru muda menunjukkan proses pertumbuhan piringan tipis. Semua piringan cenderung tumbuh bersamaan seiring dengan bertambahnya massa galaksi, terutama garis biru muda naik lebih curam dibandingkan garis oranye. Hal ini menunjukkan bahwa pertumbuhan piringan tipis yang terbentuk belakangan lebih cepat dibandingkan dengan piringan tebal yang terbentuk lebih awal.
Selain itu, perbedaan menarik juga muncul berdasarkan massa galaksi. Semakin berat sebuah galaksi, semakin dini ia mulai membentuk piringan tipis. Jika kita membandingkan titik di mana galaksi yang hanya memiliki piringan tebal mulai memiliki piringan tipis, galaksi bermassa besar mulai beralih menjadi piringan ganda 8 miliar tahun lalu, sementara galaksi yang lebih ringan baru memulainya 4 miliar tahun lalu. Artinya, galaksi yang bermassa lebih ringan baru mulai memiliki piringan tipis 3 hingga 4 miliar tahun lebih lambat dibandingkan galaksi yang lebih berat.
Hal ini menunjukkan bahwa kedua piringan tersebut bukanlah struktur terpisah yang terbentuk sendiri-sendiri, melainkan struktur yang tumbuh bersamaan. Piringan tipis tidak terbentuk secara terpisah setelah piringan tebal selesai terbentuk, melainkan kedua piringan tersebut hidup berdampingan dan tumbuh bersama dalam evolusi simultan, dengan perbedaan hanya pada waktu dimulainya. Bahkan setelah piringan tipis mulai terbentuk, piringan tebal pun tidak berhenti tumbuh dan terus menjadi lebih tebal serta lebih berat seiring dengan bertambahnya massa galaksi itu sendiri.
Untuk menganalisis penemuan ini dengan lebih jelas, para astronom kemudian melakukan analisis tambahan terhadap galaksi-galaksi tersebut menggunakan teleskop radio ALMA. Mereka menganalisis pergerakan seberapa cepat materi gas di dalam setiap piringan galaksi bergolak, serta membandingkan perbedaan kandungan elemen berat di setiap piringan galaksi. Faktanya, pada galaksi-galaksi yang diselimuti piringan tebal di alam semesta awal, materi gas bergolak lebih cepat. Ini menunjukkan bahwa turbulensi materi gas di dalam piringan tebal alam semesta awal belum mereda.
Di alam semesta awal, piringan galaksi masih penuh dengan partikel gas yang bercampur dengan cepat. Piringan galaksi yang penuh dengan turbulensi materi gas dan diisi oleh partikel yang bergerak cepat ini terasa panas. Itulah sebabnya piringan galaksi pada awalnya tebal. Bintang generasi pertama lahir di dalam piringan tebal yang penuh dengan turbulensi, dan seiring berkembangnya piringan awal, turbulensi piringan pun mereda. Saat piringan menjadi tenang, bintang-bintang yang lebih muda lahir, dan elemen logam berat yang mereka tinggalkan memenuhi piringan tipis. Sebaliknya, bintang-bintang tua yang bertahan sejak lama dengan kandungan logam rendah terus membentuk piringan tebal. Menurut analisis ini, piringan tipis Bimasakti kita tampaknya terbentuk sekitar 8 miliar tahun yang lalu. Menariknya, angka ini sangat cocok dengan usia kimia bintang yang diperkirakan dari spektrum bintang di piringan tipis Bimasakti kita.
Dalam astronomi galaksi yang memandang evolusi alam semesta secara keseluruhan dengan galaksi sebagai unitnya, pertanyaan 'Apakah galaksi kita adalah dunia yang unik?' sangatlah penting. Jika Bimasakti kita adalah dunia yang terbentuk melalui proses evolusi yang sangat biasa seperti galaksi lainnya, maka kita bisa percaya bahwa pemandangan alam semesta yang kita lihat mampu mewakili seluruh alam semesta dengan baik. Sebaliknya, jika kita mengalami sejarah unik yang berbeda dari galaksi lain, maka sulit untuk percaya bahwa pemandangan alam semesta di sekitar kita mewakili karakteristik rata-rata seluruh alam semesta.
Sayangnya, kemungkinan besar kita akan menghabiskan seumur hidup terjebak di dalam Bimasakti tanpa pernah bisa memastikan wujud aslinya. Kecuali kita bisa menjadi entitas yang mampu menjelajahi seluruh alam semesta di luar Bimasakti sesuka hati, apakah pemandangan alam semesta di sekitar kita benar-benar mewakili wujud rata-rata seluruh alam semesta adalah pertanyaan yang sangat penting dan sensitif yang menentukan fondasi kosmologi dan astronomi modern itu sendiri. Dan untungnya, penemuan kali ini menunjukkan fakta bahwa Bimasakti kita mengalami sejarah kelahiran yang serupa dengan banyak galaksi piringan lainnya di alam semesta. Banyak galaksi di alam semesta memiliki Bimasakti yang di tengahnya mengalir aliran air yang tipis dan jernih, serta di kedua sisinya mengalir aliran sungai tebal yang lebih luas. Dan kita adalah salah satunya.
Referensi
https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-digs-into-structural-origins-of-disk-galaxies/
https://academic.oup.com/mnras/article/540/4/3493/8169912?login=false
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat Universitas Yonsei, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.