Tabrakan bintang neutron menjelaskan perluasan alam semesta

Institut Niels Bohr mengusulkan penggunaan kilonova (ledakan akibat penggabungan bintang-bintang neutron) untuk mengatasi perbedaan dalam mengukur laju perluasan alam semesta. Hasil awal cukup menjanjikan, namun diperlukan lebih banyak kasus untuk memvalidasinya.

Dalam beberapa tahun terakhir, astronomi mengalami sedikit krisis: Meskipun kita mengetahui bahwa alam semesta mengembang, dan meskipun kita mengetahui secara kasar seberapa cepat lajunya, dua cara mendasar untuk mengukur perluasan tersebut tidak sejalan. Kini ahli astrofisika dari Niels Bohr Institute mengusulkan metode baru yang dapat membantu menyelesaikan ketegangan ini.

Alam semesta berkembang

Kita telah mengetahui hal ini sejak Edwin Hubble dan astronom lainnya, sekitar 100 tahun yang lalu, mengukur kecepatan sejumlah galaksi di sekitarnya. Galaksi-galaksi di alam semesta “terdorong” terpisah oleh perluasan ini, dan karena itu mereka menjauh satu sama lain.

Semakin besar jarak antara dua galaksi, semakin cepat mereka bergerak menjauh, dan laju pergerakan ini merupakan salah satu besaran paling mendasar dalam kosmologi modern. Bilangan yang menggambarkan pemuaian disebut konstanta Hubble, dan bilangan ini muncul dalam berbagai persamaan dan model alam semesta serta komponen-komponennya.

Galaksi kurang lebih tidak bergerak di ruang angkasa, namun ruang itu sendiri mengembang. Hal ini menyebabkan galaksi-galaksi menjauh satu sama lain dengan kecepatan yang terus meningkat. Namun, seberapa cepat tepatnya masih menjadi misteri. Kredit: ISO/L. Calada. Galaksi kurang lebih tidak bergerak di ruang angkasa, namun ruang itu sendiri mengembang. Hal ini menyebabkan galaksi-galaksi menjauh satu sama lain dengan kecepatan yang terus meningkat. Namun, seberapa cepat tepatnya masih menjadi misteri. Kredit: ISO/L. Calada

Masalah Hubble

Untuk memahami alam semesta, kita harus mengetahui konstanta Hubble setepat mungkin. Ada beberapa cara untuk mengukurnya; Metode-metode tersebut saling independen tetapi untungnya memberikan hasil yang hampir sama.

Artinya, hampir…

Cara intuitif termudah untuk memahaminya, pada prinsipnya, adalah metode yang sama yang digunakan Edwin Hubble dan rekan-rekannya seabad yang lalu: menemukan lokasi sekelompok galaksi, dan mengukur jarak serta kecepatannya. Dalam praktiknya, hal ini dilakukan dengan mencari galaksi dengan bintang yang meledak, atau disebut Supernova. Metode ini dilengkapi dengan metode lain yang menganalisis penyimpangan yang disebut Radiasi latar belakang kosmik; Suatu bentuk cahaya kuno yang muncul tak lama kemudian ledakan besar itu.

Kedua metode tersebut – metode supernova dan metode radiasi latar – selalu memberikan hasil yang sedikit berbeda. Namun pengukuran apa pun selalu disertai dengan ketidakpastian, dan beberapa tahun yang lalu, ketidakpastian tersebut cukup besar sehingga kita dapat menyalahkan mereka atas kesenjangan tersebut.

Belahan kiri menunjukkan sisa supernova yang meluas yang ditemukan oleh Tycho Brahe pada tahun 1572, di sini dilihat dengan sinar-X (Kredit: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes dkk.). Di sebelah kanan adalah peta radiasi latar kosmik yang memancar dari separuh langit, yang diamati dalam gelombang mikro. Kredit: Tim Sains NASA/WMAP

Namun, seiring dengan kemajuan teknik pengukuran, ketidakpastian telah berkurang, dan kini kita telah mencapai titik di mana kita dapat menyatakan dengan tingkat keyakinan yang tinggi bahwa keduanya tidak benar.

Akar dari “masalah Hubble” ini – apakah efek yang tidak diketahui secara sistematis membiaskan salah satu hasil, atau apakah ini mengarah pada fisika baru yang belum ditemukan – saat ini merupakan salah satu topik terpanas dalam astronomi.

Paradoks Hubble yang terus-menerus

Perluasan alam semesta diukur dalam “kecepatan per jarak”, yaitu lebih dari 20 kilometer per detik per juta tahun cahaya. Artinya sebuah galaksi yang berjarak 100 juta tahun cahaya menjauh dari kita dengan kecepatan 2000 km/s, sedangkan galaksi lain yang berjarak 200 juta tahun cahaya menjauh dari kita dengan kecepatan 4000 km/s.

Namun, penggunaan supernova untuk mengukur jarak dan kecepatan galaksi menghasilkan 22,7 ± 0,4 km/s, sedangkan menganalisis radiasi latar kosmik menghasilkan 20,7 ± 0,2 km/s.

Memperhatikan perselisihan kecil seperti itu mungkin tampak membosankan, namun bisa jadi sangat penting. Misalnya, angka tersebut muncul dalam penghitungan usia alam semesta, dan kedua metode tersebut menghasilkan usia masing-masing 12,8 dan 13,8 miliar tahun.

Kilonova: pendekatan baru terhadap pengukuran

Salah satu tantangan terbesarnya terletak pada penentuan jarak ke galaksi secara akurat. Namun dalam sebuah studi baru, Albert Snippen, seorang mahasiswa doktoral astrofisika di Center for Cosmic Dawn di Niels Bohr Institute di Kopenhagen, mengusulkan cara baru untuk mengukur jarak, yang dapat membantu menyelesaikan perselisihan yang sedang berlangsung.

“Ketika dua bintang neutron yang sangat kompak – yang merupakan sisa-sisa supernova – mengorbit satu sama lain dan akhirnya bergabung, mereka meledak dalam ledakan baru; ini disebut kilonova,” jelas Albert Snepen. “Baru-baru ini kami menunjukkan betapa simetrisnya ledakan ini, dan itu ternyata “Simetri ini tidak hanya indah, tapi juga sangat berguna.”

di dalam Studi ketiga Baru saja diterbitkan, mahasiswa PhD yang produktif ini menunjukkan bahwa kilonova, meskipun rumit, dapat dijelaskan dengan satu suhu. Ternyata simetri dan kesederhanaan kilonova memungkinkan para astronom menyimpulkan dengan tepat berapa banyak cahaya yang dipancarkannya.

Dengan membandingkan kecerahan ini dengan jumlah cahaya yang mencapai Bumi, peneliti dapat menghitung seberapa jauh jarak kilonova. Mereka kemudian memperoleh metode baru yang independen untuk menghitung jarak ke galaksi yang mengandung kilonova.

Darach Watson adalah profesor di Cosmic Dawn Center dan salah satu penulis penelitian ini. “Supernova, yang selama ini digunakan untuk mengukur jarak antar galaksi, tidak selalu memancarkan jumlah cahaya yang sama,” jelasnya. “Selain itu, supernova mengharuskan kita mengkalibrasi jarak terlebih dahulu menggunakan jenis bintang lain, yang disebut bintang Cepheid. yang pada gilirannya harus dikalibrasi juga.” Dengan menggunakan kilonova kita dapat menghindari komplikasi yang menyebabkan ketidakpastian dalam pengukuran.

Hasil awal dan langkah masa depan

Untuk membuktikan potensinya, ahli astrofisika menerapkan metode ini pada kilonova yang ditemukan pada tahun 2017. Hasilnya adalah konstanta Hubble yang mendekati metode radiasi latar, namun apakah metode kilonova mampu menyelesaikan masalah Hubble, peneliti belum berani mengatakan:

“Sejauh ini kami hanya memiliki satu studi kasus, dan kami memerlukan lebih banyak contoh sebelum kami dapat mengambil kesimpulan yang kuat,” Albert Sneben memperingatkan. “Tetapi metode kami melewati setidaknya beberapa sumber ketidakpastian yang diketahui, dan merupakan sistem yang sangat ‘bersih’ untuk dipelajari. Tidak memerlukan faktor kalibrasi atau koreksi.

Referensi: “Pengukuran konstanta Hubble dalam kilonovat menggunakan metode perluasan fotosfer” oleh Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauzayn, dan Radoslaw Wojtak, 2 Oktober 2023, Astronomi dan astrofisika.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306