Tanyakan Ethan: Mengapa zaman kegelapan alam semesta berlangsung begitu lama?

Pada saat Big Bang, Semesta dipenuhi dengan materi dan radiasi, tetapi tidak ada bintang di dalamnya. Dengan ekspansi dan pendinginan, proton dan neutron terbentuk dalam fraksi pertama sedetik, inti atom terbentuk dalam 3-4 menit pertama, dan atom netral terbentuk pada 380.000 tahun pertama. Setelah 50-100 juta tahun lagi, bintang-bintang pertama terbentuk. Tetapi alam semesta tetap gelap, dan pengamat, jika ada, tidak dapat melihat apa-apa sampai saat yang terjadi sekitar 550 juta tahun setelah Big Bang. Mengapa ini terjadi? Pembaca kami tertarik pada:

Apa yang membuat saya tertarik adalah mengapa Abad Kegelapan bertahan ratusan juta tahun? Tampak bagi saya bahwa mereka seharusnya bertahan setidaknya urutan kurang besar.

Pembentukan bintang-bintang dan galaksi adalah langkah besar untuk menciptakan cahaya, tetapi ini tidak cukup untuk mengakhiri Abad Kegelapan. Dan inilah alasannya.


Alam semesta awal dipenuhi dengan materi dan radiasi, dan begitu panas dan padat sehingga mencegah proton dan neutron yang stabil agar tidak muncul dalam hitungan detik pertama. Setelah kemunculan dan penghancuran antimateri mereka, kami menemukan diri kami dengan lautan materi dan radiasi di tangan kami, mengintai di sana-sini dengan kecepatan yang dekat dengan cahaya.

Bayangkan Semesta hanya beberapa menit setelah kelahiran: sebelum pembentukan atom netral. Ruang diisi dengan proton, nuklei cahaya, elektron, neutrino dan radiasi. Pada tahap awal ini, tiga hal penting terjadi:

1. Semesta sangat homogen berkenaan dengan jumlah materi di mana saja, dan wilayah terpadat berbeda beberapa ratus fraksi dalam kepadatan dari yang paling padat.
2. Gravitasi secara aktif menyatukan materi, dan di daerah yang lebih padat ada kekuatan menarik tambahan.
3. Radiasi, sebagian besar dalam bentuk foton, mendorong materi menjauh, melawan gravitasi.

Selama kita memiliki radiasi energik yang cukup, ia mencegah pembentukan atom netral yang stabil. Hanya ketika ekspansi Alam Semesta mendinginkan radiasi dengan cukup kuat, atom netral berhenti menjalani reionisasi segera.


Di alam semesta awal yang panas, sebelum pembentukan atom netral, foton tersebar dari elektron (dan, pada tingkat lebih rendah, dari proton) dengan kecepatan yang sangat tinggi, mentransfer pulsa dalam proses. Setelah pembentukan atom netral, foton hanya bergerak dalam garis lurus.

Setelah itu, 380.000 tahun setelah kemunculan Alam Semesta, radiasi ini (untuk sebagian besar foton) dengan mudah menyebar ke arah yang sama dengan yang terakhir, melalui materi yang sekarang netral. 13,8 miliar tahun kemudian, kita mengamati cahaya sisa dari Big Bang dalam bentuk radiasi peninggalan. Hari ini, ini adalah radiasi gelombang mikro latar belakang, karena panjang gelombangnya membentang karena perluasan alam semesta. Lebih penting lagi, ada distribusi fluktuasi dalam bentuk titik-titik panas dan dingin, yang sesuai dengan bagian Semesta yang semakin padat.


Daerah yang lebih padat, kepadatan rata-rata, dan daerah yang kurang padat yang ada saat Alam Semesta berusia 380.000 tahun, sesuai dengan tempat CMB dingin, sedang dan panas.

Setelah pembentukan atom netral, keruntuhan gravitasi menjadi lebih mudah terjadi, karena foton berinteraksi dengan mudah dengan elektron bebas, tetapi buruk dengan atom netral. Dan ketika foton didinginkan menjadi energi yang lebih rendah, pentingnya materi bagi alam semesta meningkat, demikian pula pertumbuhan gravitasi dimulai. Diperlukan sekitar 50-100 juta tahun bagi gravitasi untuk menyatukan banyak materi bersama-sama, dan untuk gas dibutuhkan cukup dingin untuk memungkinkan keruntuhan dimulai ketika bintang-bintang pertama terbentuk. Setelah ini, fusi nuklir diluncurkan, dan unsur-unsur berat pertama di alam semesta muncul.


Struktur alam semesta berskala besar muncul seiring waktu; cacat kecil tumbuh dan berubah menjadi bintang dan galaksi pertama, kemudian bergabung bersama, membentuk galaksi besar, modern yang kita amati hari ini. Ketika kita melihat jarak jauh, kita melihat Semesta yang lebih muda, mirip dengan masa lalu situs lokal kita.

Tetapi bahkan dengan bintang-bintang ini, Semesta berada di Abad Kegelapan. Salah siapa ini? Karena semua atom netral ini didistribusikan ke seluruh alam semesta. Mereka berada di urutan 10 ⁸⁰ , dan meskipun untuk foton berenergi rendah yang tersisa setelah Big Bang, masalah ini transparan, untuk foton berenergi tinggi yang dipancarkan oleh bintang, itu adalah buram. Itulah sebabnya mengapa tidak mungkin untuk melihat bintang-bintang di pusat galaksi dalam cahaya tampak, tetapi pada gelombang yang lebih panjang (katakanlah inframerah), Anda dapat melihat langsung melalui gas dan debu netral.


Empat jenis Bima Sakti pada empat panjang gelombang yang berbeda; di bagian atas panjang (submillimeter), kemudian inframerah jauh, inframerah dekat dan cahaya tampak. Bintang-bintang dan jalur debu di latar depan menghalangi pusat galaksi dari kita dalam cahaya tampak.

Agar alam semesta menjadi transparan terhadap cahaya bintang, atom netral ini harus terionisasi. Mereka sudah terionisasi sekali waktu: sebelum alam semesta berusia 380.000 tahun, jadi kami menyebut proses reionisasi reionisasi mereka . Dan hanya ketika banyak bintang terbentuk dan banyak foton ultraviolet berenergi tinggi dipancarkan, proses reionisasi ini dapat diselesaikan dan mengakhiri Zaman Kegelapan. Dan meskipun bintang-bintang pertama dapat muncul sudah 50-100 juta tahun setelah Big Bang, pengamatan rinci kami menunjukkan kepada kita bahwa reionisasi tidak berakhir sampai alam semesta berusia 550 juta tahun.


Diagram sejarah Semesta, menekankan reionisasi, yang benar-benar terjadi hanya setelah pembentukan bintang dan galaksi pertama. Sebelum ini, Semesta dipenuhi dengan atom-atom netral yang menghalangi cahaya. Meskipun sebagian besar Semesta tidak mengalami reionisasi sampai berusia 550 juta tahun, beberapa situs yang paling beruntung di reionisasi sebelum

Bagaimana bisa terjadi bahwa galaksi paling awal yang kita lihat muncul ketika alam semesta baru berusia 400 juta tahun? Dan bagaimana teleskop James Webb bisa melihat lebih jauh ke masa lalu? Dua faktor berperan di sini:

1) Reionisasi tidak homogen. Alam semesta penuh dengan gumpalan, ketidaksempurnaan, dan heterogenitas. Ini bagus, memungkinkan bintang, galaksi, planet, dan juga orang terbentuk. Tetapi itu juga berarti bahwa beberapa bagian ruang dan arah di langit sepenuhnya direionisasi sebelum yang lain. Galaksi terjauh yang kita kenal, GN-z11 , adalah galaksi yang cerah dan indah untuk usia yang begitu muda, tetapi juga terletak di arah di mana Semesta hampir sepenuhnya terionisasi. Itu hanya begitu berhasil bertepatan bahwa ini terjadi 150 juta tahun sebelum reionisasi "rata-rata".


Hanya karena galaksi yang jauh ini, GN-z11 terletak di wilayah di mana lingkungan intergalaksi sebagian besar direionisasi, Hubble mampu menunjukkan kepada kita hari ini. James Webb akan melangkah lebih jauh.

2) Atom netral ini transparan untuk panjang gelombang panjang. Meskipun pada masa-masa awal Semesta buram cahaya tampak dan ultraviolet, itu transparan untuk gelombang yang lebih panjang. Sebagai contoh, diketahui bahwa " Pilar Penciptaan " adalah buram terhadap cahaya tampak, tetapi jika Anda melihatnya dalam inframerah, Anda dapat dengan mudah melihat bintang-bintang di dalamnya.


Di sebelah kiri - pandangan dalam cahaya tampak, di sebelah kanan - dalam inframerah, pada objek yang sama: Pilar penciptaan. Amati berapa banyak gas dan debu yang lebih transparan terhadap radiasi inframerah, dan bagaimana ini memengaruhi latar belakang dan bintang-bintang internal.

Teleskop James Webb tidak hanya menjadi observatorium inframerah utama, tetapi dirancang khusus untuk mengamati cahaya yang inframerah ketika dipancarkan oleh bintang-bintang awal. Peregangan lebih jauh, hingga panjang gelombang 30 mikron, di tengah rentang inframerah, ia akan dapat mengamati objek yang ada di Abad Kegelapan itu sendiri.


Mempelajari perluasan yang terus-menerus dari Semesta, kita mendapatkan kepekaan tidak hanya untuk objek redup, tetapi juga untuk mereka yang "diblokir" oleh atom netral. Tetapi dengan observatorium inframerah kita dapat melihatnya juga.

Alam semesta telah gelap begitu lama, karena atom di dalamnya telah netral sejak lama. Bahkan 98% alam semesta terionisasi tetap buram terhadap cahaya tampak, dan butuh sekitar 500 juta tahun bagi cahaya bintang untuk sepenuhnya mengionisasi semua atom dan membuat alam semesta transparan. Pada akhir Zaman Kegelapan, kita dapat melihat segala sesuatu pada semua panjang gelombang cahaya, tetapi sebelum itu kita harus beruntung, atau kita perlu melihat lebih lama, gelombang yang kurang terserap.

Mengatakan "biarlah ada cahaya", setelah membentuk bintang dan galaksi, tidak cukup untuk menyelesaikan Abad Kegelapan Alam Semesta. Menciptakan cahaya hanya setengah dari pertempuran; menciptakan lingkungan di mana ia dapat menyebar ke mata Anda sama pentingnya. Untuk ini kita perlu banyak ultraviolet dan waktu. Tetapi jika Anda melihat dengan benar, kita dapat melihat ke dalam kegelapan dan melihat apa yang belum kita lihat sebelumnya. Dan dalam waktu kurang dari dua tahun, cerita ini akan dimulai.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].