Penyusunan Jaringan Kosmik Tiga Dimensi untuk Pemetaan Alam Semesta

Dengan memanfaatkan emisi radio hidrogen yang ada di sekitar galaksi, astronom melakukan pelacakan dan deteksi jaringan kosmik. Langkah pertama kali yang dilakukan akan berlanjut menuju pemetaan alam semesta secara lebih luas dan lengkap.

Mengintip langit dan di balik cahaya Bima Sakti melalui teleskop yang kuat, Anda dapat melihat cahaya redup dari galaksi-galaksi jauh. Galaksi-galaksi ini bergerombol dalam kelompok padat yang disatukan oleh filamen tipis dan dipisahkan oleh ruang hampa yang sangat besar dengan lebar ratusan juta tahun cahaya.
Salah satu yang menjadi pertanyaan tentang alam semesta adalah bagaimana bentuk dan gambaran petanya. Oleh karenanya sejak era '80-an, para ilmuwan telah mengamati jutaan galaksi untuk memetakan jaring kosmik (cosmic web) secara lebih rinci dalam upaya mereka untuk memahami sejarah alam semesta.
Tantangannya adalah ada lebih banyak struktur skala besar yang tidak terlihat daripada yang terlihat. Namun adanya atom hidrogen yang secara alami memancarkan gelombang radio dengan karakteristik panjang gelombang 21 sentimeter, turut membantu tugas para ilmuwan.
Hidrogen cenderung mengelompok secara gravitasi di sekitar galaksi. Pola dalam emisi radio ini mencerminkan distribusi kosmik yang mendasari materi. Berdasarkan hal ini maka para astronom di Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) melakukan pelacakan dan deteksi untuk pertama kali terhadap pola-pola tanda ini.
Hasil deteksi menjadi langkah awal bagi penyusunan peta lengkap jaring kosmik menggunakan emisi radio hidrogen. Saat ini pengukuran CHIME diakui memang belum mencapai presisi bagi memetakan struktur skala besar jaring kosmik.
"Hasil ini bukanlah 'cawan suci', tetapi ini merupakan tonggak sejarah bagi CHIME dan juga untuk lapangan," kata seorang ilmuwan peneliti di Jet Propulsion Laboratory NASA, yang tidak terlibat dalam pekerjaan tersebut, Tzu-Ching Chang, seperti dikutip Scientific American.
Di "zaman kegelapan", alam semesta belum memiliki bintang bersinar. Beberapa ratus juta tahun setelah proton dan elektron pertama kali bergabung untuk membentuk atom setelah terjadinya dentuman besar (big bang), tidak ada bintang yang menerangi. Ruang angkasa saat itu dipenuhi dengan gas hidrogen.
Gas itu tumbuh lebih padat di beberapa tempat dan lebih jarang di tempat lain karena tarikan gravitasi bersaing dengan ekspansi atau pengembangan kosmik. Pada daerah terpadat, akhirnya melahirkan bintang bercahaya, galaksi, dan gugus galaksi.
Pada era '90-an, para kosmolog mengira mereka memahami garis besar cerita ini. Pada 1998 mereka terkejut saat menemukan ekspansi kosmik mulai secara misterius mempercepat sekitar lima miliar tahun yang lalu, setelah lebih dari delapan miliar tahun berlangsung secara meluas.
Hampir tidak ada yang diketahui tentang "energi gelap" yang bertanggung jawab atas percepatan ini. Satu pertanyaan terbuka yang penting adalah apakah itu adalah "konstanta kosmologis" yang tidak dapat diubah atau lebih tepatnya medan dinamis dengan kekuatan yang berubah seiring waktu.

Sejarah Ekspansi
Peta jaring kosmik mungkin mengarah pada jawaban. Cahaya dari galaksi yang lebih jauh, membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai Bumi, dan perluasan alam semesta merentangkan panjang gelombang cahaya kuno ini ke ujung merah spektrum yang terlihat. Semakin jauh galaksi, semakin besar pergeseran merah kosmik.
Pengukuran pergeseran merah yang tepat, berdasarkan sidik jari spektral unik dari atom yang berlimpah di dalam galaksi, sehingga memungkinkan para astronom untuk membangun peta tiga dimensi dari jaring kosmik. Peta-peta ini mengkodekan banyak informasi tentang sejarah ekspansi kosmik dan evolusi struktur skala besar.
Survei galaksi terbaru yang diselesaikan yang disebut Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), berhasil mengkatalogkan posisi dan pergeseran merah dari setengah juta galaksi dan quasar yaitu wilayah yang sangat terang di inti galaksi besar yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif.
"Tim eBOSS kemudian menggunakan katalog ini untuk membuat peta yang mencakup sekitar 15 persen langit dan membentang lebih dari 11 miliar tahun. Dan survei lanjutan yang lebih ambisius sedang berlangsung," papar Tzu-Ching Chang.
Namun terlepas dari keberhasilan mereka, survei galaksi memiliki keterbatasan. Teleskop pertama-tama harus memindai langit untuk memilih galaksi yang akan disertakan dalam survei, dan pengukuran pergeseran merah masing-masing galaksi cenderung memakan waktu. Survei mutakhir juga menuntut spektrometer mahal dengan ribuan bagian yang bergerak.
Pemetaan intensitas hidrogen, strategi yang dilakukan oleh CHIME, dapat membuktikan cara yang lebih murah dan lebih cepat untuk memetakan kosmik. Dengan teleskop radio, dapat diukur bagaimana intensitas emisi radio bervariasi di langit pada banyak panjang gelombang yang berbeda sekaligus. Hal ini memungkinkan para astronom untuk membangun peta tiga dimensi tanpa pengukuran pergeseran merah yang terpisah.
"Teleskop pemetaan intensitas khusus juga murah, urutan besarnya lebih murah daripada instrumen spektroskopi yang sebanding dalam optik atau inframerah," ungkap seorang profesor astronomi di Universitas KwaZulu-Natal di Afrika Selatan, yang tidak berafiliasi dengan CHIME, Kavilan Moodley. hay/I-1

Dapat Mengatasi Emisi Energi Kuasar Galaksi Bima Sakti

Pada 2009 dan 2010, para astronom telah menemukan jejak pertama jaring kosmik (cosmic web) dalam emisi hidrogen. Saat itu ia menggunakan teleskop radio di Australia dan Virginia Barat, sebuah teleskop piringan 100 meter yang mengumpulkan cahaya dari wilayah kecil di langit.
Sayangnya teleskop tersebut tidak dapat secara efisien memetakan area luas yang diperlukan untuk tampilan yang lebih lengkap. Sedangkan fasilitas Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) cukup canggih. Dari data yang dikumpulkan pada 2019, teleskop radio mampu memetakan jaring kosmik dengan baik.
Dengan CHIME memungkinkan para peneliti untuk lebih mengontrol kesalahan sistematis, dan mereka tidak harus bersaing dengan astronom lain. Data proyek kembali sejauh sembilan miliar tahun, satu miliar tahun lebih dalam ke masa lalu daripada pengukuran radio sebelumnya.
Setelah memproses data mereka untuk menghilangkan emisi latar depan dari Bima Sakti dan sumber terrestrial. Caranya para peneliti menggunakan teknik yang disebut "susun" untuk mempelajari korelasi antara data CHIME dan peta galaksi dari survei eBOSS.
Mereka melihat sinyal yang tidak salah lagi, daerah emisi radio yang lebih intens tumpang tindih dengan posisi galaksi dan kuasar yang diketahui. "Ketika Anda memiliki deteksi pertama, itu sangat memotivasi," kata Seth Siegel, seorang ilmuwan riset di McGill University dan salah satu pemimpin analisis tim CHIME, seperti dikutip Scientific American.
Hasilnya merupakan tonggak penting, kata dia, karena memberi peneliti CHIME dasar dari mana mereka dapat mengejar perbaikan lebih lanjut. Tim sekarang bekerja menggunakan data CHIME yang lebih baru untuk membuat peta yang berdiri sendiri, tanpa bantuan katalog eBOSS.
Kemudian berencana untuk mencari korelasi dalam distribusi gas hidrogen pada skala jarak yang lebih jauh, memisahkan sinyal dari emisi latar depan menjadi sangat menantang. Korelasi semacam itu adalah sisa-sisa gelombang suara yang disebut "osilasi akustik baryon" oleh para kosmolog.
Gelombang tersebut beriak melalui plasma primordial berapi yang memenuhi alam semesta awal. Skala karakteristik osilasi ini kira-kira 500 juta tahun cahaya di alam semesta masa kini telah diukur secara tepat menggunakan metode lain.
Dengan demikian, osilasi akustik baryon dapat berfungsi sebagai semacam tolok ukur yang dapat digunakan tim untuk mengukur jarak lain di petanya untuk mencari penyimpangan dari kosmologi standar, seperti perubahan kekuatan energi gelap.
Richard Shaw, seorang ilmuwan peneliti di University of British Columbia, yang ikut memimpin analisis dengan Siegel, menekankan bahwa ini baru permulaan untuk CHIME. "Kami memiliki sekantong data dan lebih banyak lagi yang akan datang," kata dia. hay/I-1