Lensa gravitasi

Hubble mendeteksi gumpalan materi gelap terkecil

6 background quasar dengan lensa gravitasi oleh galaksi foreground © NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

Menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA dan teknik pengamatan baru, para astronom menemukan materi gelap membentuk gumpalan yang jauh lebih kecil daripada yang diketahui sebelumnya. Hasil ini mengkonfirmasi salah satu prediksi mendasar dari teori “cold dark matter”.

Semua galaksi, menurut teori ini, terbentuk dan tertanam di dalam awan materi gelap. Materi gelap itu sendiri terdiri dari partikel yang bergerak lambat, atau “cold,” yang bersatu membentuk struktur mulai dari ratusan ribu kali massa galaksi Bimasakti hingga gumpalan yang tidak lebih besar daripada gumpalan pesawat komersial. (Dalam konteks ini, “cold” mengacu pada kecepatan partikel.)

Pengamatan Hubble menghasilkan wawasan baru tentang sifat materi gelap dan bagaimana perilakunya. “Kami membuat tes pengamatan yang sangat menarik untuk model cold dark matter dan lulus dengan flight color,” ucap Tommaso Treu dari University of California, Los Angeles (UCLA), anggota tim pengamat.

Materi gelap adalah bentuk materi tak kasat mata yang membentuk sebagian besar massa alam semesta dan menciptakan perancah di mana galaksi dibangun. Meskipun para astronom tidak dapat melihat materi gelap, mereka dapat mendeteksi keberadaannya secara tidak langsung dengan mengukur bagaimana gravitasinya mempengaruhi bintang dan galaksi. Mendeteksi bentukan materi gelap terkecil dengan mencari bintang yang tertanam dapat menjadi sulit atau tidak mungkin, karena mengandung sangat sedikit bintang.

Sementara konsentrasi materi gelap telah terdeteksi di sekitar galaksi besar dan menengah, gumpalan materi gelap yang jauh lebih kecil belum ditemukan sampai sekarang. Tidak adanya bukti pengamatan untuk gumpalan skala kecil seperti itu, beberapa peneliti mengembangkan teori alternatif, termasuk “warm dark matter.” Gagasan ini menunjukkan bahwa partikel materi gelap bergerak cepat, untuk bergabung dan membentuk konsentrasi yang lebih kecil. Pengamatan baru tidak mendukung skenario ini, menemukan materi gelap “lebih dingin” daripada yang seharusnya dalam teori alternatif materi gelap hangat.

“Materi gelap lebih dingin daripada yang kita ketahui pada skala yang lebih kecil,” jelas Anna Nierenberg dari Jet Propulsion Laboratory NASA di Pasadena, California, pemimpin survei Hubble. Para astronom telah melakukan tes pengamatan lain dari teori materi gelap sebelumnya, tetapi bukti kami memberikan indikasi terkuat keberadaan gumpalan kecil cold dark matter. Dengan menggabungkan prediksi teoritis terbaru, alat statistik, dan pengamatan Hubble baru, kami sekarang memiliki hasil yang jauh lebih kuat.”

background quasar dengan lensa gravitasi galaksi foreground © NASAESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA)

Berburu untuk konsentrasi materi gelap tanpa bintang telah terbukti menantang. Namun, tim peneliti Hubble menggunakan teknik di mana mereka tidak perlu mencari pengaruh gravitasi bintang sebagai pelacak materi gelap. Tim ini menargetkan delapan “streetlights” kosmik yaitu quasar (daerah di sekitar lubang hitam aktif yang memancarkan banyak cahaya). Para astronom mengukur bagaimana cahaya yang dipancarkan oleh oksigen dan gas neon yang mengorbit masing-masing lubang hitam quasar dibengkokkan oleh gravitasi foreground galaksi yang besar, yang bertindak sebagai lensa pembesar.

Dengan menggunakan metode ini, tim menemukan gumpalan materi gelap di sepanjang garis pandang teleskop ke quasar, di dalam dan di sekitar galaksi pelensa intervening. Konsentrasi materi gelap yang terdeteksi oleh Hubble adalah 1 / 10.000 hingga 1 / 100.000 kali massa halo materi Bima Sakti. Banyak dari pengelompokan kecil ini kemungkinan besar tidak mengandung galaksi kecil, dan oleh karena itu mustahil untuk dideteksi dengan metode tradisional.

Delapan quasar dan galaksi disejajarkan sedemikian rupa sehingga efek melengkung, atau pelensaan gravitasi, menghasilkan empat gambar terdistorsi dari masing-masing quasar. Efeknya seperti melihat cermin rumah Funhouse. Gambar quadruple quasar jarang terjadi karena keselarasan yang hampir tepat diperlukan antara foreground galaksi dan background quasar. Namun, para peneliti membutuhkan beberapa gambar untuk melakukan analisis yang lebih rinci.

Gambar ini menggambarkan bagaimana cahaya quasar yang jauh diubah oleh galaksi foreground yang besar dan gumpalan materi gelap kecil di sepanjang jalur cahaya. Gravitasi galaksi yang kuat melengkungkan dan memperbesar cahaya quasar, menghasilkan empat gambar quasar yang terdistorsi.
© NASAESA, and D. Player (STScI)

Kehadiran gumpalan materi gelap mengubah kecerahan dan posisi jelas dari setiap gambar quasar yang terdistorsi. Para astronom membandingkan pengukuran ini dengan prediksi tentang bagaimana gambar quasar akan terlihat tanpa pengaruh materi gelap. Para peneliti menggunakan pengukuran untuk menghitung massa konsentrasi materi gelap kecil. Untuk menganalisis data, para peneliti juga mengembangkan program komputasi yang rumit dan teknik rekonstruksi intensif.

Bayangkan bahwa masing-masing dari delapan galaksi ini adalah kaca pembesar raksasa,” jelas anggota tim Daniel Gilman dari UCLA. “Gumpalan materi gelap kecil bertindak sebagai retakan kecil pada kaca pembesar, mengubah kecerahan dan posisi empat gambar quasar dibandingkan dengan apa yang Anda harapkan untuk melihat apakah kaca itu halus.”

Para peneliti menggunakan Hubble Wide Field Camera 3 untuk menangkap cahaya near-infrared dari masing-masing quasar dan menyebarkannya ke dalam warna komponennya untuk dipelajari dengan spektroskopi. Emisi unik dari quasar latar paling baik dilihat dalam cahaya inframerah. “Pengamatan Hubble dari luar angkasa memungkinkan kita melakukan pengukuran ini dalam sistem galaksi yang tidak akan dapat diakses dengan resolusi lebih rendah dari teleskop berbasis darat — dan atmosfer Bumi tidak jelas terhadap cahaya inframerah yang perlu kita amati,” jelas anggota tim Simon Birrer dari UCLA.

Treu menambahkan: “Luar biasa setelah hampir 30 tahun beroperasi, Hubble memungkinkan pandangan mutakhir ke dalam fisika dasar dan sifat alam semesta yang bahkan tidak kita impikan ketika teleskop diluncurkan.”

Lensa gravitasi ditemukan dengan memilah-milah survei berbasis darat seperti Sloan Digital Sky Survey dan Dark Energy Survey, yang menyediakan peta tiga dimensi paling terperinci dari alam semesta. Quasar terletak sekitar 10 miliar tahun cahaya dari Bumi; foreground galaksi, sekitar 2 miliar tahun cahaya.

Jumlah struktur kecil yang terdeteksi dalam penelitian ini menawarkan lebih banyak petunjuk tentang sifat materi gelap. “Sifat-sifat partikel materi gelap mempengaruhi berapa banyak gumpalan terbentuk,” jelas Nierenberg. “Itu artinya kamu bisa belajar tentang fisika partikel materi gelap dengan menghitung jumlah gumpalan kecil.”

Namun, jenis partikel yang membentuk materi gelap masih menjadi misteri. “Saat ini, tidak ada bukti langsung di laboratorium bahwa partikel materi gelap ada,” ucap Birrer. “Fisikawan partikel bahkan tidak akan berbicara tentang materi gelap jika kosmolog tidak mengatakan itu ada di sana, berdasarkan pengamatan efeknya. Ketika kita kosmolog berbicara tentang materi gelap, kita bertanya ‘bagaimana ia mengatur penampilan alam semesta, dan pada skala apa? ‘”

Para astronom akan melakukan studi lanjutan materi gelap menggunakan James Webb Space Telescope dan Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), keduanya merupakan observatorium inframerah. Webb akan mampu memperoleh pengukuran ini secara efisien untuk semua quasar berlensa empat yang diketahui. Ketajaman dan bidang pandang WFIRST akan membantu para astronom melakukan pengamatan seluruh wilayah ruang yang dipengaruhi oleh medan gravitasi dari galaksi-galaksi besar dan gugusan galaksi. Ini akan membantu para peneliti mengungkap lebih banyak dari sistem langka tersebut.

Tim akan mempresentasikan hasilnya pada pertemuan 235 American Astronomical Society di Honolulu, Hawaii.

Tautan ke artikel asli: HUBBLE DETECTS SMALLEST KNOWN DARK MATTER CLUMPS / Space Telescope Science Institute

Diterjemahkan oleh saintifia dengan seizin dari yang bersangkutan, segala kesalahan translasi menjadi tanggungjawab kami.