Galaksi kosong: Alam semesta pulau sejati

Mengapa Pisces A dan B bisa menjadi kunci untuk memahami evolusi awal galaksi kerdil.

Pada tahun-tahun awal abad ke-20, salah satu poin utama pertentangan dalam astronomi adalah sifat benda yang sekarang kita kenal sebagai galaksi. Beberapa, seperti Harlow Shapely, menyebut mereka "spiral nebula", percaya mereka berada di dalam batas-batas Bima Sakti, sementara yang lain, seperti Heber Curtis, menggunakan istilah "alam semesta pulau", menggambarkan lautan galaksi yang melayang melintasi alam semesta. Jawaban atas teka-teki ini akan memiliki implikasi mendalam bagi ukuran alam semesta dan kosmologi secara keseluruhan.

Hari ini, kita tahu bahwa galaksi-galaksi terletak di luar Bimasakti - yang merupakan galaksi tempat kita hidup. Namun, galaksi-galaksi itu tidak seperti pulau-pulau yang diyakini sebagian orang. Banyak galaksi ada di kelompok galaksi atau gugus, dengan puluhan atau ribuan anggota. Kami berbaring di dalam Grup Lokal yang diberi nama tepat, bersama dengan Andromeda dan Triangulum, dan kami dikelilingi oleh segerombolan galaksi satelit.

Peta kekosongan dan superclusters di sekitar Bima Sakti, berpusat di Virgo Supercluster. Void Lokal terlalu kecil untuk dilihat. Kredit gambar: Andrew Z. Colvin, di bawah lisensi Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Tentu saja ada pengecualian untuk aturan ini; tidak semua galaksi adalah bagian dari kluster. Faktanya, beberapa kasus yang tidak jelas mengintai di kekosongan, daerah yang sangat luas yang memiliki puluhan megaparsec yang hampir tidak mengandung galaksi dan hanya sejumlah kecil gas ekstragalaktik. Galaksi-galaksi kosong ini sulit ditemukan, terutama jika mereka redup, tetapi memahami bagaimana galaksi terbentuk dan berevolusi dapat membawa kita ke kumpulan informasi tentang bagaimana alam semesta berperilaku dalam skala besar - mulai, tentu saja, dengan kekosongan.

Hari ini, kami melakukan perjalanan tepat di luar Grup Lokal ke tepi Void Lokal. Di sini terletak dua galaksi kerdil, Pisces A dan Pisces B. Mereka kecil dan redup, dan kita masih tidak tahu banyak tentang mereka, tetapi apa yang kita ketahui memiliki implikasi mendalam untuk studi pembentukan dan evolusi galaksi kerdil.

Katai miskin gas dan hidrogen netral

Gambar 1, Tollerud et al. 2015. Radio asli dan gambar optik Pisces A dan B. Resolusi ini cukup buruk, tetapi masih menghasilkan pengukuran jarak yang layak.

Pisces A dan B ditemukan hanya beberapa tahun yang lalu, dengan data dari survei GALFA-HI dilakukan di Observatorium Arecibo (Tollerud et al. 2015). GALFA-HI mengukur emisi dalam garis 21 cm, indikator utama awan hidrogen netral. Karena setiap emisi HI yang signifikan hanya dapat berasal dari daerah yang kaya gas, ini merupakan alat yang buruk untuk mendeteksi galaksi kerdil yang kehabisan gas di dekat Bima Sakti - dan cara yang sangat baik untuk menemukan galaksi dengan banyak gas hidrogen dan pembentukan bintang yang sedang berlangsung.

Setelah kedua sumber radio ini diidentifikasi, pengamatan optik dengan teleskop WIYN 3,5 meter menemukan rekanan yang terlihat. Spektroskopi Hα menemukan bahwa setiap sumber optik memiliki kecepatan radial yang hampir identik dengan sumber radio yang sesuai, mengkonfirmasikan bahwa mereka adalah objek yang sama: galaksi kerdil, pada jarak mulai 1,7-3,5 Mpc (Pisces A) dan 3,5–8,9 Mpc (Pisces B), menempatkan mereka di tepi Grup Lokal.

Perbedaan jarak terjadi karena kelompok menggunakan dua metode yang berbeda untuk menentukan mereka. Jika kita mengasumsikan bahwa galaksi terlepas dari Grup Lokal, kita dapat menggunakan hukum Hubble dan pengukuran kecepatan resesinya untuk mengetahui seberapa jauh mereka. Namun, tim itu juga dapat melihat beberapa bintang biru muda di galaksi; dari besarnya yang tampak, mereka muncul dengan nilai yang berbeda - lebih rendah.

Bagian dari Gambar 3, Tollerud et al. 2015. Perhatikan bagaimana Pisces A dan B pada dasarnya kaya akan hidrogen dibandingkan dengan sebagian besar galaksi kerdil dengan massa yang sama, membuatnya lebih mudah dikenali pada survei HI.

Raksasa merah: Lilin standar yang lebih andal

Setahun kemudian, tim menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble untuk gambar galaksi (Tollerud et al. 2016). Fotometri dari pengamatan mengarah ke cara ketiga, bahkan lebih tepat untuk mengukur jarak ke galaksi: menggunakan ujung cabang raksasa merah (TRGB, singkatnya).

Ketika raksasa merah mencapai permulaan proses triple-alpha, luminositasnya meningkat secara substansial melalui ledakan fusi tiba-tiba yang disebut helium flash. Sementara kilatannya sendiri singkat, periode evolusi berikutnya berlangsung lebih lama, dan bintang itu menjadi lebih terang dan lebih terang, akhirnya mencapai titik yang disebut ujung cabang raksasa merah. Ternyata bintang-bintang ini pada dasarnya memiliki luminositas yang sama, terlepas dari massa, logam atau komposisi. Ini membuat mereka lilin standar yang sangat baik, seperti halnya variabel Cepheid.

Gambar 1 dan 2, Tollerud et al. 2016. Gambar Hubble dari Pisces A dan B. Sementara gambar WIYN cukup baik untuk membedakan beberapa sumber titik, Hubble mampu memberikan gambar dengan resolusi yang jauh lebih tinggi.

Fotometri Hubble cukup baik sehingga metode TRGB dapat digunakan, dan memberikan jarak yang konsisten dengan gagasan bahwa kerdil Pisces terletak di luar Grup Lokal: masing-masing 5,6 dan 9,2 Mpc. Dengan pengukuran jarak yang akurat di tangan, kelompok ini dapat menentukan lebih banyak properti pasangan, termasuk luminositas dan massa bintang total (masing-masing sekitar 10 juta massa matahari).

Apa artinya semua itu

Yang menarik adalah bahwa tim sekarang dapat menempatkan galaksi-galaksi ini di peta. Ternyata mereka berdua berbaring di tepi Void Lokal. Sayangnya, kami tidak memiliki data kinematik massal terperinci di arah yang benar, sehingga kami tidak dapat memastikan bahwa Pisces A dan B bergerak keluar dari kekosongan. Namun, kami memiliki beberapa petunjuk.

Gambar 12, Tollerud et al. 2016. Peta galaksi terdekat dengan sekitar 10 Mpc Bumi. Grup Lokal duduk, mungil dan tampaknya kompak, di tengah.

Pertama, pasangan ini mengalami ledakan formasi bintang belum lama ini. Sangat masuk akal bahwa ini dipicu oleh tabrakan mendadak dengan filamen gas yang membentuk batas Void Lokal. Selain itu, distribusi HI cocok dengan yang kami harapkan untuk melihat di galaksi yang kosong. Akhirnya, kedua galaksi ini - terutama Pisces A - lebih kecil dari kebanyakan galaksi pembentuk bintang di Grup Lokal, yang berarti galaksi mereka jauh lebih padat. Ini mungkin menunjukkan bahwa baru sekarang mereka memasuki jalur evolusi yang sama dengan yang dilakukan rekan-rekan mereka di Grup Lokal sejak lama.

Gambar. 13, Tollerud et al. 2016. Perhatikan bagaimana Pisces A dan B jauh lebih kecil dari sebagian besar galaksi pembentuk bintang, tetapi jauh lebih terang daripada galaksi paling pasif (bukan pembentuk bintang).

Gagasan terakhir inilah yang membuat Pisces A dan B sangat menarik. Jika mereka benar-benar hampa galaksi, mereka pasti menghabiskan sebagian besar hidup mereka tanpa terganggu di lingkungan yang relatif murni dari kekosongan lokal. Ini berarti mereka mungkin terlihat dan bertindak seperti galaksi kerdil yang biasa, miliaran dan miliaran tahun yang lalu. Kurang dari 10 Mpc, maka, bisa menjadi petunjuk bagi kehidupan awal banyak tetangga terdekat kita. Itu pemikiran yang sangat menarik.