Bisikan bintang pertama memancing debat keras tentang materi gelap

Penemuan tak terduga baru-baru ini menunjukkan bahwa Semesta awal tidak terlihat sama sekali seperti yang diperkirakan sebelumnya. Teori awal bahwa materi gelap yang harus disalahkan atas perbedaan ini dikritik

Berita tentang bintang-bintang pertama di Semesta selalu tampak aneh. Juli lalu, Renan Barkana , seorang kosmologis dari Universitas Tel Aviv, menerima email dari rekan lamanya, Jada Bowman . Bowman memimpin sekelompok kecil lima astronom yang membangun dan menugaskan teleskop radio di bagian terpencil Australia barat. Tujuannya adalah untuk menemukan bisikan bintang-bintang pertama. Bowman dan timnya menemukan sinyal yang tidak sepenuhnya jelas. Dan dia meminta Barkan untuk membantunya berpikir tentang apa yang sebenarnya bisa memicu sinyal seperti itu.

Selama bertahun-tahun teleskop radio memindai langit, para astronom berharap dapat menangkap sinyal samar bintang pertama di alam semesta. Benda-benda seperti itu terlalu redup, dan pada jarak lebih dari 13 miliar tahun cahaya - terlalu jauh untuk dibedakan dengan teleskop biasa. Sebaliknya, para astronom mencari jejak efek bintang-bintang ini pada gas yang mengelilingi mereka. Peralatan Bowman, seperti teleskop lain, sedang mencoba mendeteksi kegagalan tertentu dalam grafik gelombang radio yang berasal dari ujung-ujung jauh dari alam semesta.

Pengukuran seperti itu sangat sulit dilakukan, karena sinyal potensial dapat hilang tidak hanya dalam jumlah besar sinyal radio dari masyarakat modern - ini adalah salah satu alasan mengapa percobaan ini berada di halaman belakang Australia - tetapi juga dalam sinyal dari sumber ruang terdekat, seperti Galaksi Bima Sakti kita. Namun, setelah bertahun-tahun melakukan pekerjaan metodis, Bowman bersama rekan-rekannya dan eksperimen EDGES (Eksperimen untuk Mendeteksi Zaman Global Reionisasi Tanda Tangan - sebuah eksperimen untuk menemukan jejak era reionisasi global) sampai pada kesimpulan bahwa mereka tidak hanya menemukan bintang-bintang pertama, tetapi juga menemukan bukti bahwa kosmos muda jauh lebih dingin daripada yang dipikirkan semua orang.

Barkana skeptis. "Di satu sisi, pengukuran tampaknya dapat diandalkan," katanya. "Di sisi lain, itu sangat tak terduga."

Apa yang bisa membuat alam semesta awal terlihat dingin? Barkana mempertimbangkan semua kemungkinan dan menyadari bahwa ini bisa disebabkan oleh kehadiran materi gelap - zat misterius yang mengisi Semesta, dan pada saat yang sama menghindari semua upaya untuk memahami apa itu dan bagaimana kerjanya. Dia menemukan bahwa hasil EDGES dapat diartikan sebagai cara yang sama sekali baru dari interaksi materi biasa dan materi gelap.

EDGES telah mengumumkan perincian tentang sinyal ini dan penemuan bintang pertama di alam semesta dalam edisi 1 Maret di Nature. Bersamaan dengan artikel itu, karya Barkana diterbitkan yang menggambarkan gagasan baru tentang materi gelap ini. Media di seluruh dunia menyebarkan berita tentang penemuan ini. Associated Press menulis, "Para astronom melihat sekilas fajar ruang ketika bintang-bintang menyala," dan menambahkan bahwa "mereka mungkin juga menemukan materi gelap yang misterius di tempat kerja."

Namun, sejak publikasi minggu ini, kosmolog di seluruh dunia telah mengungkapkan campuran antusiasme dan skeptisisme. Para peneliti yang melihat hasil EDGES untuk pertama kalinya ketika muncul di Nature, melakukan analisis mereka sendiri, dan menunjukkan bahwa bahkan jika beberapa jenis energi gelap bertanggung jawab untuk itu, seperti yang disarankan Barkan, hanya sebagian kecil saja yang dapat memiliki efek. (Barkan sendiri mengambil bagian dalam beberapa studi ini.) Tetapi para astronom eksperimental mengatakan bahwa meskipun mereka menghormati tim EDGES dan kerja keras yang telah dilakukan, pengukuran seperti itu sulit untuk sepenuhnya dipercaya. "Jika ini bukan penemuan revolusioner, akan lebih mudah bagi orang untuk percaya pada hasilnya," kata Daniel Price, seorang astronom di Swinburne University of Technology di Australia, bekerja pada eksperimen serupa. "Pernyataan yang jelas membutuhkan bukti nyata."

Pesan ini telah bergema di komunitas kosmologis sejak publikasi makalah di jurnal Nature.

Sumber bisikan

Sehari setelah Bowman menghubungi Barkana dan memberitahunya tentang sinyal EDGES yang tak terduga, Barkana pergi bersama keluarganya untuk mengunjungi orang tua istrinya. Selama perjalanan, katanya, dia merenungkan sinyalnya, memberi tahu istrinya tentang teka-teki menarik yang diceritakan Bowman kepadanya.

Bowman, dengan tim EDGES, merasakan gas hidrogen netral yang mengisi alam semesta dalam beberapa juta tahun pertama setelah Big Bang. Gas ini cenderung menyerap cahaya, yang menyebabkan apa yang oleh ahli kosmologi disebut sebagai "zaman kegelapan". Meskipun ruang dipenuhi dengan cahaya latar belakang yang tersebar, relik radiasi (RI) - yang disebut perasaan senang setelah Dentuman Besar - gas netral ini menyerapnya pada panjang gelombang tertentu. EDGES mencari persis pola penyerapan ini.

Ketika bintang-bintang mulai menyala di Semesta, energi mereka seharusnya memanaskan gas. Akibatnya, gas mencapai suhu yang cukup tinggi dan berhenti menyerap RI. Sinyal penyerapan berhenti dan zaman kegelapan berakhir.

Sinyal penyerapan yang diukur oleh EDGES mengandung banyak informasi. Itu membentang sementara pola penyerapan bergerak di sekitar alam semesta yang mengembang. Para astronom dapat menggunakan peregangan ini untuk memperkirakan berapa lama sinyal telah transit, dan karenanya ketika bintang-bintang pertama telah dihidupkan. Selain itu, lebar sinyal yang terdeteksi sesuai dengan jumlah waktu gas menyerap radiasi. Dan intensitas sinyal - jumlah cahaya yang diserap - dikaitkan dengan suhu gas dan jumlah cahaya di ruang angkasa pada waktu itu.

Banyak peneliti menganggap karakteristik yang terakhir ini sebagai yang paling menarik. "Penyerapan ini ternyata jauh lebih kuat daripada yang kami pikir itu mungkin," kata Stephen Furlaneto, seorang kosmologis di University of California, Los Angeles, yang mempelajari apa arti data EDGES untuk pembentukan galaksi yang paling awal.


Garis biru pada grafik menunjukkan kekuatan penyerapan yang diharapkan, menurut berbagai model. Garis merah menunjukkan penyerapan yang diukur.

Penjelasan yang paling jelas untuk kekuatan sinyal adalah bahwa gas netral lebih dingin daripada yang diperkirakan, itulah sebabnya ia dapat menyerap lebih banyak RI. Tapi bagaimana jagat raya tiba-tiba dingin? "Kita berbicara tentang periode waktu di mana bintang-bintang mulai terbentuk," kata Barkana, "tentang kegelapan sebelum fajar." "Jadi semuanya sedingin mungkin." Pertanyaannya adalah: Apa yang bisa lebih dingin? ”

Ketika dia parkir di halaman rumah orang tua istrinya pada hari Juli itu, dia mendapat ide: Mungkinkah itu materi gelap? Memang, TM, tampaknya, tidak berinteraksi dengan materi normal melalui gaya elektromagnetik - ia tidak menyerap dan tidak memancarkan panas. Jadi TM awalnya bisa menjadi lebih dingin atau dingin lebih lama dari materi normal pada awal Semesta, dan kemudian terus menjadi dingin.

Selama minggu berikutnya, ia bekerja pada teori tentang bagaimana bentuk hipotetis TM, yang disebut " materi gelap partikel bermuatan mikro, " bisa bertanggung jawab untuk ini. Materi gelap bermuatan mikro (MTM) dapat berinteraksi dengan materi biasa, tetapi hanya melalui interaksi yang lemah. Gas intergalaksi kemudian dapat mendingin, "pada kenyataannya, hanya dengan membuang panas ke sektor materi gelap, yang tidak lagi terlihat," jelas Furlaneto. Barkana menggambarkan ide ini dan mengirimkannya ke Alam.


Renan Barkana

Kemudian dia mulai bekerja dengan ide ini secara lebih rinci dan dengan bantuan rekan-rekannya. Ilmuwan lain melakukan hal yang sama. Segera setelah kemunculan karya-karya di Alam, beberapa ahli teori-kosmologi mulai membandingkan perilaku tipe TM yang tidak terduga ini dengan apa yang kita ketahui tentang Semesta - pengamatan puluhan tahun terhadap radiasi sinar-X, data dari ledakan supernova, hasil tabrakan dalam akselerator partikel seperti Large Hadron Collider, dan pemahaman para astronom tentang bagaimana Dentuman Besar menghasilkan hidrogen, helium, dan litium dalam beberapa menit pertama alam semesta. Jika ada MTM di sana, apakah semua pengamatan ini bermakna?

Tapi tidak ada yang berhasil. Lebih tepatnya, para peneliti menemukan bahwa MTM hanya dapat membuat sebagian kecil dari jumlah total TM di Semesta - terlalu kecil untuk membuat kegagalan yang diamati dalam data EDGES. "100% TM tidak dapat berinteraksi dengan cara ini," kata Anastasia Fialkov , seorang astrofisika di Universitas Harvard dan penulis pertama makalah yang dikirim ke jurnal Physical Review Letters. Karya lain, pracetak yang dikirim oleh Barkan dan rekannya ke arxiv.org, mengklaim bahwa persentase ini harus lebih rendah lagi - tidak boleh lebih dari 1-2% dari total jumlah MTM. Kelompok independen sampai pada kesimpulan yang sama.

Jika ini bukan MTM, apa yang bisa menjelaskan daya serap sinyal yang tidak terduga dari EDGES? Kemungkinan lain adalah adanya cahaya latar tambahan pada awal ruang. Jika Alam Semesta awal memiliki lebih banyak gelombang radio daripada yang diperkirakan, maka "penyerapan akan tampak lebih kuat, meskipun gas itu sendiri akan tetap sama," kata Furlaneto. Mungkin RI bukan satu-satunya cahaya latar di masa bayi di alam semesta.

Dan ide ini tidak terlalu aneh. Pada tahun 2011, percobaan balon, ARCADE 2 , melaporkan keberadaan sinyal radio latar yang melebihi semua yang bisa diharapkan dari RI. Para ilmuwan masih belum dapat menjelaskan hasil ini.

Setelah penemuan EDGES, beberapa kelompok astronom memikirkan kembali data tersebut. Satu kelompok mempelajari kemungkinan menjelaskan data menggunakan BH, karena mereka adalah sumber paling luar biasa dari emisi radio di langit. Namun, BH juga memancarkan jenis radiasi lain, misalnya sinar-X, yang tidak diamati pada awal Semesta. Oleh karena itu, para astronom skeptis terhadap gagasan bahwa BH dapat menjadi jawabannya.

Apakah sinyalnya nyata?

Mungkin penjelasan paling sederhana untuk apa yang terjadi adalah bahwa data itu tidak benar. Pengukuran sangat sulit. Namun, jika dilihat dari semuanya, tim EDGES melakukan segala yang mungkin untuk memeriksa dan mengecek data mereka - Harga menyebut eksperimen itu "selektif" - yang berarti bahwa jika ada kekurangan dalam data, itu akan sangat sulit ditemukan.


Antena untuk percobaan EDGES ini dioperasikan pada tahun 2015 di tempat terpencil di Australia Barat, di mana praktis tidak ada gangguan radio.

Tim EDGES meluncurkan antena radio mereka pada bulan September 2015. Pada bulan Desember, mereka sudah melihat sinyal, kata Raul Monsalve , seorang kosmolog eksperimental di University of Colorado di Boulder, dan anggota tim EDGES. "Kami langsung curiga padanya karena dia lebih kuat dari yang diharapkan."

Maka dimulailah uji tuntas mereka secara maraton. Mereka membangun antena serupa dan memasangnya 150 meter dari yang pertama. Mereka memutar antena untuk menghilangkan pengaruh dan alat lingkungan. Mereka menggunakan kalibrasi dan teknik analisis terpisah. "Kami melakukan segala macam tes dan percobaan untuk mencoba menghilangkan kemungkinan bahwa sinyal berasal dari lingkungan atau sumber lain," kata Monsalve. - Awalnya, kami tidak percaya diri. Kami berpikir bahwa sinyal yang kuat seperti itu terlihat sangat mencurigakan, jadi kami butuh banyak waktu untuk menerbitkannya. ” Mereka yakin bahwa mereka melihat sinyalnya, dan sinyalnya kuat.

"Saya percaya pada hasilnya," kata Price, tetapi dia menekankan bahwa data masih perlu diperiksa untuk kesalahan sistematis. Dia menyebutkan satu area di mana percobaan, pada prinsipnya, dapat mengabaikan kesalahan: sensitivitas antena tergantung pada frekuensi yang diamati dan arah kedatangan sinyal. Para astronom dapat memperhitungkan ketidaksempurnaan ini, baik dengan mengukur atau memodelkannya. Bowman dan rekan memutuskan untuk membuat model mereka. Price menyarankan bahwa anggota tim EDGES malah menemukan cara untuk mengukurnya, dan kemudian menganalisis kembali sinyal, dengan mempertimbangkan efek yang diukur.

Langkah selanjutnya adalah membuat sinyal ini terdeteksi pada detektor radio lain, yang berarti bahwa sinyal datang dari langit, dan bukan dari antena atau model EDGES. Para ilmuwan dari proyek LEDA (Eksperimen Bukaan Besar untuk Mendeteksi Abad Kegelapan - sebuah eksperimen dengan bukaan besar untuk mendeteksi zaman kegelapan), yang berlokasi di California di Lembah Owens, saat ini sedang menganalisis data dari alat ini. Maka mereka perlu mengkonfirmasi bahwa sinyal memiliki sifat kosmologis, dan tidak diproduksi di suatu tempat di Bima Sakti kita. Ini bukan tugas yang mudah. Emisi radio dari galaksi kita bisa ribuan kali lebih kuat daripada sinyal kosmologis.

Secara umum, para peneliti berhubungan dengan pengukuran EDGES dan interpretasinya dengan bagian skeptisisme yang sehat, seperti yang dikatakan Barkana dan banyak lainnya. Para ilmuwan harus skeptis terhadap pengukuran jenis pertama - ini adalah bagaimana Anda dapat menjamin keandalan pengamatan, keakuratan analisis dan tidak adanya kesalahan dalam percobaan. Begitulah cara sains harus bekerja. "Kami mengajukan pertanyaan, melakukan penelitian, mengesampingkan peluang yang salah," kata Tomer Volanski, spesialis fisika partikel di Universitas Tel Aviv yang bekerja dengan Barkana pada salah satu karya. "Kami mencari kebenaran." Jika kebenarannya bukan TM, maka itu bukan TM. "