Seiring berjalannya waktu dari kanan ke kiri, visualisasi ini menunjukkan pembentukan bintang-bintang pertama dari jerebu hidrogen neutral selepas Subuh Kosmik.
(Imej: © NASA / STScI)
Paul Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University dan ketua saintis di pusat sains COSI. Sutter juga menjadi tuan rumah Ask a Spaceman and Space Radio, dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini kepada Pakar Suara Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Mungkin wahyu terbesar dalam seratus tahun terakhir mempelajari alam semesta adalah bahawa rumah kita berubah dan berkembang seiring dengan waktu. Dan bukan hanya dengan cara kecil, tidak penting seperti bintang bergerak, awan gas memampatkan dan bintang besar mati dalam letupan bencana. Tidak, seluruh kosmos kita telah mengubah watak asasnya lebih dari sekali pada masa lalu, mengubah keadaan dalamannya secara global - berskala universal.
Sebagai contoh, perhatikan fakta bahawa pada suatu masa dulu, di masa lalu yang kelam kabut, tidak ada bintang.
Sebelum cahaya pertama
Kami mengetahui fakta sederhana ini kerana adanya latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), mandi sinaran lemah tetapi berterusan yang menyerap seluruh alam semesta. Sekiranya anda menemui foton rawak (sedikit cahaya), ada kemungkinan besar ia berasal dari CMB - cahaya itu mengambil lebih dari 99.99 peratus daripada semua radiasi di alam semesta. Ini adalah peninggalan yang tersisa dari ketika alam semesta baru berusia 270,000 tahun, dan beralih dari plasma yang panas dan panas menjadi sup netral (tanpa muatan positif atau negatif). Peralihan itu membebaskan sinaran putih-panas yang, selama 13.8 bilion tahun, menyejukkan dan meregangkan gelombang mikro, memberi kita cahaya latar yang dapat kita mengesan hari ini. [Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik: Penjelasan Big Bang Relic (Infographic)]
Pada masa pelepasan CMB, alam semesta kira-kira sepersejuta jumlahnya sekarang dan ribuan darjah lebih panas. Ia juga hampir sama seragam, dengan perbezaan ketumpatan tidak lebih besar dari 1 bahagian dalam 100,000.
Jadi, tidak betul-betul keadaan di mana bintang dapat hidup bahagia.
Zaman Gelap
Dalam jutaan tahun setelah pembebasan CMB (dikenal sebagai "pengumpulan semula" dalam kalangan astronomi, kerana kesalahpahaman sejarah mengenai zaman sebelumnya), alam semesta berada dalam keadaan yang ganjil. Terdapat mandi sinaran panas-putih yang berterusan, tetapi radiasi itu cepat menyejuk ketika alam semesta meneruskan pengembangannya yang tidak dapat dielakkan. Tentunya ada masalah gelap, dengan memikirkan perniagaannya sendiri. Dan ada gas yang sekarang neutral, hampir keseluruhan hidrogen dan helium, akhirnya dibebaskan dari perjuangannya dengan radiasi dan bebas melakukan sesuka hati.
Dan apa yang senang dilakukan adalah bergaul dengan seberapa banyak yang boleh. Syukurlah, ia tidak perlu bekerja sangat keras: Di alam semesta yang sangat awal, fluktuasi kuantum mikroskopik membesar menjadi perbezaan ketumpatan kecil (dan mengapa itu berlaku adalah cerita untuk hari yang lain). Perbezaan ketumpatan kecil ini tidak mempengaruhi pengembangan kosmologi yang lebih besar, tetapi mempengaruhi kehidupan hidrogen neutral itu. Mana-mana tampalan yang sedikit lebih padat daripada rata-rata - walaupun sedikit, sedikit - mempunyai tarikan graviti yang sedikit lebih kuat pada jirannya. Tarik yang ditingkatkan mendorong lebih banyak gas untuk menyertai pesta itu, yang memperkuat tarikan graviti, yang mendorong lebih banyak tetangga dan sebagainya.
Seperti muzik nyaring di pesta rumah yang bertindak sebagai lagu siren untuk mendorong lebih banyak peminat, selama berjuta-juta tahun gas kaya menjadi lebih kaya dan gas yang lemah menjadi lebih buruk. Melalui graviti sederhana, perbezaan ketumpatan kecil berkembang, membina agregasi jirim besar pertama dan mengosongkan persekitarannya.
"Fajar kosmik" pecah
Di suatu tempat, di suatu tempat, sebahagian hidrogen neutral bernasib baik. Menumpuk lapisan pada lapisan yang terlalu besar, inti paling dalam mencapai suhu dan ketumpatan kritikal, memaksa inti atom bersama-sama dalam corak yang rumit, menyala dalam peleburan nuklear dan mengubah bahan mentah menjadi helium. Proses ganas itu juga mengeluarkan sedikit tenaga, dan sekelip mata bintang pertama dilahirkan.
Buat pertama kalinya sejak sedozen minit pertama Big Bang, reaksi nuklear berlaku di alam semesta kita. Sumber cahaya baru, menghiasi kosmos, membanjiri ruang kosong yang kosong dengan sinaran. Tetapi kami tidak pasti bila peristiwa penting ini berlaku; pemerhatian pada zaman ini sangat sukar. Untuk satu, jarak kosmologi yang luas menghalang bahkan teleskop paling kuat kita dari melihat cahaya pertama itu. Yang memburukkannya adalah bahawa alam semesta awal hampir sepenuhnya netral, dan gas neutral tidak mengeluarkan banyak cahaya sejak awal. Tidak sampai beberapa generasi bintang menyatukan diri untuk membentuk galaksi, kita bahkan dapat memperoleh sedikit petunjuk pada zaman penting ini.
Kami mengesyaki bahawa bintang-bintang pertama terbentuk di suatu tempat dalam beberapa ratus juta tahun pertama alam semesta. Tidak lama kemudian kita mempunyai pemerhatian langsung mengenai galaksi, nukleus galaksi aktif dan juga permulaan gugusan galaksi - struktur paling besar yang akhirnya muncul di alam semesta. Suatu ketika sebelum mereka bintang-bintang pertama harus tiba, tetapi tidak terlalu awal, kerana keadaan sibuk di alam semesta bayi akan menghalang pembentukannya.
Di ufuk
Walaupun Teleskop Angkasa James Webb yang akan datang dapat menunjukkan galaksi awal dengan ketepatan yang sangat baik, menawarkan banyak data mengenai alam semesta awal, bidang pandangan teleskop yang sempit tidak akan memberi kita gambaran keseluruhan era ini. Para saintis berharap bahawa beberapa galaksi paling awal mungkin mengandungi sisa-sisa bintang pertama - atau bahkan bintang itu sendiri - tetapi kita harus menunggu dan (secara harfiah) melihat.
Cara lain untuk membuka subuh kosmik adalah melalui kebiasaan hidrogen neutral yang mengejutkan. Apabila putaran kuantum elektron dan proton terbalik secara rawak, hidrogen memancarkan sinaran dengan panjang gelombang yang sangat spesifik: 21 sentimeter. Sinaran ini memungkinkan kita memetakan kantong hidrogen neutral dalam Bima Sakti kita sekarang, tetapi jarak yang sangat jauh ke era fajar kosmik menimbulkan cabaran yang sama sekali.
Masalahnya adalah bahawa alam semesta telah berkembang sejak era yang telah lama mati, yang menyebabkan semua sinaran intergalaksi merebak ke panjang gelombang yang lebih panjang. Pada masa ini, isyarat hidrogen neutral primordial mempunyai panjang gelombang sekitar 2 meter, meletakkan isyarat dengan kuat di jalur radio. Dan banyak perkara lain di alam semesta - supernova, medan magnet galaksi, satelit - cukup kuat pada frekuensi yang sama, mengaburkan isyarat samar dari tahun-tahun awal alam semesta.
Terdapat beberapa misi di seluruh dunia yang berusaha mendapatkan isyarat fajar kosmik-subuh itu, menggali bisikan purba dari cacophony masa kini, dan mengungkapkan kelahiran bintang-bintang pertama. Tetapi buat masa ini, kita hanya perlu menunggu dan mendengar.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episod "Apa yang membangkitkan fajar kosmik?" pada podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Joyce S. untuk soalan yang membawa kepada karya ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @ PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami @Spacedotcom, Facebook dan Google+. Artikel asal di Space.com.
