Kecepatan Mengejutkan Terungkap dalam Tabrakan Gugus Galaksi yang Sangat Besar
Konsep seniman ini menunjukkan apa yang terjadi ketika dua gugusan galaksi besar, yang secara kolektif dikenal sebagai MACS J0018.5, bertabrakan: Materi gelap di gugusan galaksi (biru) melaju di depan awan gas panas terkait, atau materi normal (oranye). Baik materi gelap maupun materi normal merasakan tarikan gravitasi, tetapi hanya materi normal yang mengalami efek tambahan seperti guncangan dan turbulensi yang memperlambatnya selama tabrakan. Kredit: WM Keck Observatory/Adam Makarenko
Para astronom telah mengamati tabrakan unik antara dua gugus galaksi, mengungkap bagaimana materi gelap dan materi normal terpisah selama pertemuan tersebut.
Dengan menggunakan kombinasi teleskop canggih dan teknik observasi, termasuk efek SZ, para peneliti melacak kecepatan materi gelap dan normal yang dipisahkan. Studi ini meningkatkan pemahaman kita tentang sifat misterius materi gelap dan menyiapkan landasan bagi penelitian di masa mendatang.
Pemisahan Materi Gelap dalam Gugus Galaksi
Para astronom telah mengungkap tabrakan yang tidak beraturan antara dua gugusan galaksi besar di mana awan materi gelap yang sangat besar di gugusan tersebut telah terpisah dari apa yang disebut materi normal. Kedua gugusan tersebut masing-masing berisi ribuan galaksi dan terletak miliaran tahun cahaya jauhnya dari Bumi. Saat mereka saling bertabrakan, materi gelap—zat tak kasat mata yang merasakan gaya gravitasi tetapi tidak memancarkan cahaya—melesat lebih cepat dari materi normal. Pengamatan baru tersebut merupakan yang pertama yang secara langsung menyelidiki pemisahan kecepatan materi gelap dan materi normal.
Terikat oleh gaya gravitasi, gugus galaksi merupakan salah satu struktur terbesar di alam semesta. Hanya 15 persen dari massa dalam gugus tersebut merupakan materi normal, materi yang sama yang menyusun planet, manusia, dan segala sesuatu yang Anda lihat di sekitar Anda. Dari materi normal ini, sebagian besar merupakan gas panas, sedangkan sisanya adalah bintang dan planet. Sisanya, 85 persen dari massa gugus adalah materi gelap.
Animasi karya seniman ini menggambarkan tabrakan antara dua gugus galaksi yang sangat besar. Saat tabrakan berlangsung, materi gelap di gugus galaksi (biru) bergerak maju di depan awan gas panas yang terkait, atau materi normal (oranye). Kredit animasi: WM Keck Observatory/Adam Makarenko
Dinamika Tabrakan dan Interaksi Materi
Selama pertikaian yang terjadi antara gugusan, yang dikenal sebagai kolektifitas MACS J0018.5+1626, galaksi-galaksi itu sendiri sebagian besar tidak terluka karena begitu banyak ruang yang ada di antara mereka. Namun ketika simpanan gas yang sangat besar antara galaksi-galaksi (materi normal) bertabrakan, gas tersebut menjadi bergolak dan sangat panas. Sementara semua materi, termasuk materi normal dan materi gelap, berinteraksi melalui gravitasi, materi normal juga berinteraksi melalui elektromagnetisme, yang memperlambatnya selama tabrakan. Jadi, sementara materi normal menjadi macet, kumpulan materi gelap dalam setiap gugusan terus melaju.
Emily Silich. Kredit: Caltech
Bayangkan tabrakan besar antara beberapa truk sampah yang membawa pasir, saran Emily Silich, penulis utama sebuah studi baru yang menjelaskan temuan dalam Itu Jurnal Astrofisika“Materi gelap seperti pasir dan terbang ke depan.” Silich adalah mahasiswa pascasarjana yang bekerja dengan Jack Sayers, profesor riset fisika di Caltech dan peneliti utama penelitian tersebut.
Metodologi Penelitian dan Wawasan Observasional
Penemuan ini dilakukan dengan menggunakan data dari Caltech Submillimeter Observatory (yang baru-baru ini dipindahkan dari situsnya di Maunakea di Hawaii dan akan dipindahkan ke Chili), Observatorium WM Keck di Maunakea, NASAObservatorium Sinar-X Chandra milik NASA, Teleskop Luar Angkasa Hubbleitu Badan Antariksa EropaObservatorium Luar Angkasa Herschel dan Observatorium Planck milik NASA yang kini sudah tidak digunakan lagi (yang pusat sains NASA-nya yang berafiliasi berpusat di IPAC milik Caltech), dan Eksperimen Teleskop Submilimeter Atacama di Cile. Beberapa pengamatan dilakukan beberapa dekade lalu, sementara analisis lengkap menggunakan semua kumpulan data dilakukan selama beberapa tahun terakhir.
Analisis Perbandingan Dengan Bullet Cluster
Pemisahan materi gelap dan normal seperti itu telah terlihat sebelumnya, yang paling terkenal di Bullet Cluster. Dalam tabrakan itu, gas panas dapat terlihat jelas tertinggal di belakang materi gelap setelah dua gugus galaksi saling melesat. Situasi yang terjadi di MACS J0018.5+1626 (yang selanjutnya disebut sebagai MACS J0018.5) serupa, tetapi orientasi penggabungannya diputar, kira-kira 90 derajat relatif terhadap Bullet Cluster. Dengan kata lain, salah satu gugus masif di MACS J0018.5 terbang hampir lurus ke arah Bumi sementara yang lain bergegas menjauh. Orientasi itu memberi para peneliti sudut pandang unik untuk, untuk pertama kalinya, memetakan kecepatan materi gelap dan materi normal dan menjelaskan bagaimana mereka terpisah satu sama lain selama tabrakan gugus galaksi.
Jack Sayers menjelaskan geometri tabrakan gugus galaksi. Kredit: Caltech
“Dengan Bullet Cluster, rasanya seperti kita sedang duduk di tribun menonton balapan mobil dan dapat mengambil gambar mobil yang bergerak dari kiri ke kanan di lintasan lurus,” kata Sayers. “Dalam kasus kami, rasanya seperti kita berada di lintasan lurus dengan senjata radar, berdiri di depan mobil saat mobil itu melaju ke arah kita dan dapat mengukur kecepatannya.”
Mengukur Kecepatan Materi Menggunakan Efek SZ
Untuk mengukur kecepatan materi normal, atau gas, dalam gugusan, para peneliti menggunakan metode observasi yang dikenal sebagai efek kinetik Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Sayers dan rekan-rekannya melakukan deteksi observasi pertama terhadap efek kinetik SZ pada objek kosmik individual, gugusan galaksi bernama MACS J0717, pada tahun 2013, menggunakan data dari CSO (observasi pertama efek SZ yang diambil dari MACS J0018.5 dilakukan pada tahun 2006).
Efek SZ kinetik terjadi saat foton dari alam semesta awal, latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), menyebarkan elektron dalam gas panas dalam perjalanannya menuju Bumi. Foton mengalami pergeseran, yang disebut pergeseran Doppler, akibat gerakan elektron dalam awan gas di sepanjang garis pandang kita. Dengan mengukur perubahan kecerahan CMB akibat pergeseran ini, peneliti dapat menentukan kecepatan awan gas dalam gugus galaksi.
Kutipan puisi ini, yang ditulis oleh Emily Silich, seorang mahasiswa pascasarjana bidang astronomi di Caltech, terinspirasi oleh penelitiannya tentang tabrakan antara gugus galaksi yang sangat besar. Bahkan, ia menulisnya selama berjam-jam saat analisisnya terhadap simulasi tabrakan gugus galaksi dijalankan pada ratusan inti komputer.
t = nol:
partikel diinisialisasi,
gas didefinisikan sebagai udara.Dipol yang berlawanan
melintasi seperti napas pucat
tanpa tabrakan.Berwarna magma,
melepaskan diri dari dirinya sendiri dalam
lika-liku yang penuh gejolakdari teselasi.
Masalah memori
tidak penting untukzaman yang ditentukan oleh
suatu waktu dalam waktu yang lain;
Berlalu paralel.Puisi lengkapnya diterbitkan sebagai bagian dari koleksi di Antologi Ulasan Puisi Altadena.
Peran Observatorium Canggih dan Prospek Masa Depan
“Efek Sunyaev-Zeldovich masih merupakan alat observasi yang sangat baru ketika Jack dan saya pertama kali menyalakan kamera baru di CSO pada gugus galaksi pada tahun 2006, dan kami tidak menyangka akan ada penemuan seperti ini,” kata Sunil Golwala, profesor fisika dan penasihat doktoral fakultas Silich. “Kami menantikan serangkaian kejutan baru ketika kami memasang instrumen generasi berikutnya pada teleskop di rumah barunya di Chili.”
Pada tahun 2019, para peneliti telah melakukan pengukuran SZ kinetik ini di beberapa gugus galaksi, yang memberi tahu mereka kecepatan gas, atau materi normal. Mereka juga menggunakan Keck untuk mempelajari kecepatan galaksi di gugus tersebut, yang memberi tahu mereka melalui proksi kecepatan materi gelap (karena materi gelap dan galaksi berperilaku serupa selama tabrakan). Namun pada tahap penelitian ini, tim memiliki pemahaman terbatas tentang orientasi gugus tersebut. Mereka hanya tahu bahwa salah satunya, MACS J0018.5, menunjukkan tanda-tanda sesuatu yang aneh terjadi—gas panas, atau materi normal, bergerak ke arah yang berlawanan dengan materi gelap.
Tantangan dan Terobosan dalam Memahami Materi Gelap
“Kami memiliki keanehan ini dengan kecepatan yang berlawanan arah, dan awalnya kami pikir itu bisa jadi masalah dengan data kami. Bahkan rekan-rekan kami yang mensimulasikan gugus galaksi tidak tahu apa yang sedang terjadi,” kata Sayers. “Lalu Emily ikut campur dan mengurai semuanya.”
Sebagai bagian dari tesis doktoralnya, Silich menangani teka-teki MACS J0018.5. Ia beralih ke data dari Chandra X-ray Observatory untuk mengungkap suhu dan lokasi gas di gugusan serta tingkat guncangan gas. “Tabrakan gugusan ini adalah fenomena paling energik sejak Dentuman Besar,” kata Silich. “Chandra mengukur suhu ekstrem gas dan memberi tahu kita tentang usia penggabungan dan seberapa baru gugusan tersebut bertabrakan.” Tim tersebut juga bekerja sama dengan Adi Zitrin dari Universitas Ben-Gurion di Negev di Israel untuk menggunakan data Hubble guna memetakan materi gelap menggunakan metode yang dikenal sebagai pelensaan gravitasi.
Selain itu, John ZuHone dari Pusat Astrofisika di Harvard & Smithsonian membantu tim tersebut melakukan simulasi tabrakan gugusan bintang. Simulasi ini digunakan bersama dengan data dari berbagai teleskop untuk menentukan geometri dan tahap evolusi pertemuan gugusan bintang. Para ilmuwan menemukan bahwa, sebelum bertabrakan, gugusan bintang bergerak mendekati satu sama lain dengan kecepatan sekitar 3000 kilometer/detik, yang setara dengan sekitar satu persen kecepatan cahaya.
Dengan gambaran yang lebih lengkap tentang apa yang terjadi, para peneliti mampu mengetahui mengapa materi gelap dan materi normal tampak bergerak ke arah yang berlawanan. Meskipun para ilmuwan mengatakan hal itu sulit untuk divisualisasikan, orientasi tabrakan, ditambah dengan fakta bahwa materi gelap dan materi normal telah terpisah satu sama lain, menjelaskan pengukuran kecepatan yang ganjil.
Kesimpulan dan Arah Penelitian Masa Depan
Di masa mendatang, para peneliti berharap bahwa lebih banyak penelitian seperti ini akan menghasilkan petunjuk baru tentang sifat misterius materi gelap. “Penelitian ini merupakan titik awal untuk penelitian yang lebih rinci tentang sifat materi gelap,” kata Silich. “Kami memiliki jenis penyelidikan langsung baru yang menunjukkan bagaimana materi gelap berperilaku berbeda dari materi normal.”
Sayers, yang mengingat pertama kali mengumpulkan data CSO pada objek ini hampir 20 tahun yang lalu, berkata, “Butuh waktu lama bagi kami untuk menyatukan semua bagian teka-teki, tetapi sekarang kami akhirnya tahu apa yang sedang terjadi. Kami berharap ini mengarah pada cara yang sama sekali baru untuk mempelajari materi gelap dalam gugus.”
Referensi: “ICM-SHOX. I. Tinjauan Metodologi dan Penemuan Pemisahan Kecepatan Gas–Materi Gelap dalam Penggabungan MACS J0018.5+1626” oleh Emily M. Silich, Elena Bellomi, Jack Sayers, John ZuHone, Urmila Chadayammuri, Sunil Golwala, David Hughes, Alfredo Montaña, Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai, David Sánchez-Argüelles, SA Stanford, Grant Wilson, Michael Zemcov dan Adi Zitrin, 12 Juni 2024, Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad3fb5
Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation, Wallace LW Sargent Graduate Fellowship di Caltech, Chandra X-ray Center, United States-Israel Binational Science Foundation, Kementerian Sains & Teknologi di Israel, proyek AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope), dan Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
