Wilayah muda yang membentuk bintang ditemukan di Bima Sakti kita sendiri. Perhatikan bagaimana materi di sekitar bintang terionisasi, dan seiring waktu menjadi transparan untuk semua bentuk cahaya. Namun, sampai hal itu terjadi, gas di sekitarnya menyerap radiasi, memancarkan cahaya sendiri dari berbagai panjang gelombang. Di alam semesta awal, dibutuhkan ratusan juta tahun bagi alam semesta untuk sepenuhnya menjadi transparan terhadap cahaya. (NASA, ESA, DAN HERBAGE HUBBLE (STSCI / AURA) -ESA / HUBBLE COLLABORATION; DIAKUI PEKERJAAN: R. O'CONNELL (UNIVERSITAS VIRGINIA) DAN KOMITE PENGAWASAN SCIENTIFIC WFC3)

Kapan Alam Semesta Menjadi Transparan Menjadi Terang?

Tergantung pada bagaimana Anda mengukurnya, ada dua jawaban berbeda yang mungkin benar.

Jika Anda ingin melihat apa yang ada di luar sana di Semesta, pertama-tama Anda harus dapat melihatnya. Kita menerima begitu saja, hari ini, bahwa Semesta transparan terhadap cahaya, dan bahwa cahaya dari objek yang jauh dapat berjalan tanpa hambatan melalui ruang sebelum mencapai mata kita. Tapi tidak selalu seperti ini.

Sebenarnya, ada dua cara agar Semesta dapat menghentikan cahaya agar tidak menyebar dalam garis lurus. Pertama adalah mengisi Alam Semesta dengan elektron bebas dan tidak terikat. Cahaya kemudian akan tersebar dengan elektron, memantul ke arah yang ditentukan secara acak. Yang lain adalah mengisi Alam Semesta dengan atom netral yang dapat menggumpal dan berkelompok. Cahaya kemudian akan diblokir oleh masalah ini, dengan cara yang sama bahwa sebagian besar benda padat tidak tembus cahaya. Alam semesta kita yang sebenarnya melakukan keduanya, dan tidak akan menjadi transparan sampai kedua rintangan diatasi.

Atom-atom netral terbentuk hanya beberapa ratus ribu tahun setelah Big Bang. Bintang-bintang pertama mulai mengionisasi atom-atom itu sekali lagi, tetapi butuh ratusan juta tahun untuk membentuk bintang dan galaksi sampai proses ini, yang dikenal sebagai reionisasi, selesai. (THE HYDROGEN EPOCH OF REIONISATION ARRAY (HERA))

Pada tahap-tahap awal Semesta, atom-atom yang membentuk semua yang kita tahu tidak terikat bersama dalam konfigurasi netral, tetapi terionisasi: dalam keadaan plasma. Ketika cahaya bergerak melalui plasma yang cukup padat, ia akan tersebar dari elektron, diserap dan dipancarkan kembali dalam berbagai arah yang tidak terduga. Selama ada cukup elektron bebas, foton yang mengalir melalui Semesta akan terus ditendang secara acak.

Namun, ada proses bersaing yang terjadi, bahkan selama tahap awal ini. Plasma ini terbuat dari elektron dan inti atom, dan secara energik menguntungkan bagi mereka untuk mengikat bersama. Kadang-kadang, bahkan pada masa-masa awal ini, mereka melakukan hal itu, dengan hanya masukan dari foton yang cukup energik yang mampu memisahkan mereka sekali lagi.

Saat kain Semesta mengembang, panjang gelombang dari setiap radiasi yang ada juga meregang. Hal ini menyebabkan alam semesta menjadi kurang energik, dan membuat banyak proses berenergi tinggi yang terjadi secara spontan di masa-masa awal menjadi mustahil pada zaman yang lebih dingin. Diperlukan ratusan ribu tahun bagi Semesta untuk cukup dingin sehingga atom-atom netral dapat terbentuk. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Akan tetapi, seiring dengan berkembangnya Alam Semesta, ia tidak hanya menjadi kurang padat, tetapi juga partikel-partikel di dalamnya yang kurang energetik. Karena jalinan ruang itu sendiri adalah apa yang mengembang, itu memengaruhi setiap foton yang bepergian melalui ruang itu. Karena energi foton ditentukan oleh panjang gelombangnya, maka ketika panjang gelombang itu meregang, foton akan bergeser - redshifted - ke energi yang lebih rendah.

Hanya masalah waktu, kemudian, sampai semua foton di Alam Semesta turun di bawah ambang batas energi kritis: energi yang diperlukan untuk menjatuhkan elektron dari atom-atom individu yang ada di Semesta awal. Dibutuhkan ratusan ribu tahun setelah Big Bang untuk foton kehilangan energi yang cukup untuk membuat pembentukan atom netral menjadi mungkin.

Pada masa-masa awal (kiri), foton tersebar dari elektron dan memiliki energi yang cukup tinggi untuk menjatuhkan atom apa pun kembali ke keadaan terionisasi. Begitu Semesta cukup dingin, dan tanpa foton berenergi tinggi (kanan), mereka tidak dapat berinteraksi dengan atom netral. Alih-alih, mereka hanya mengalir bebas melalui ruang tanpa batas, karena mereka memiliki panjang gelombang yang salah untuk membangkitkan atom-atom ini ke tingkat energi yang lebih tinggi. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Banyak peristiwa kosmik terjadi selama waktu ini: isotop awal yang paling tidak stabil membusuk secara radioaktif; materi menjadi lebih penting secara energetik daripada radiasi; gravitasi mulai menarik materi ke rumpun ketika benih-benih struktur mulai tumbuh. Ketika foton menjadi semakin banyak tergeser, penghalang lain untuk atom netral muncul: foton terpancar ketika elektron berikatan dengan proton untuk pertama kalinya. Setiap kali sebuah elektron berhasil mengikat dengan inti atom, ia melakukan dua hal:

  1. Ini memancarkan foton ultraviolet, karena transisi atom selalu mengalir turun dalam tingkat energi dengan cara yang dapat diprediksi.
  2. Ia dibombardir oleh partikel-partikel lain, termasuk satu-satunya foton yang ada untuk setiap elektron di Semesta.

Setiap kali Anda membentuk atom netral yang stabil, ia memancarkan foton ultraviolet. Foton-foton itu kemudian melanjutkan, dalam garis lurus, sampai mereka menemukan atom netral lain, yang kemudian mereka terionisasi.

Ketika elektron bebas bergabung kembali dengan inti hidrogen, elektron mengalir turun tingkat energi, memancarkan foton saat mereka pergi. Agar atom netral yang stabil terbentuk di Semesta awal, mereka harus mencapai keadaan dasar tanpa menghasilkan foton ultraviolet yang berpotensi mengionisasi atom identik lainnya. (BRIGHTERORANGE & ENOCH LAU / WIKIMDIA COMMONS)

Tidak ada penambahan bersih atom netral melalui mekanisme ini, dan karenanya Semesta tidak dapat menjadi transparan terhadap cahaya melalui jalur ini sendirian. Ada efek lain yang muncul, yang mendominasi. Ini sangat jarang, tetapi mengingat semua atom di Semesta dan lebih dari 100.000 tahun yang dibutuhkan untuk atom akhirnya dan stabil menjadi netral, itu bagian yang luar biasa dan rumit dari cerita.

Sering kali, dalam atom hidrogen, ketika Anda memiliki elektron yang menempati keadaan tereksitasi pertama, itu hanya turun ke tingkat energi terendah, memancarkan foton ultraviolet dari energi tertentu: foton alfa Lyman. Tetapi sekitar 1 kali dalam 100 juta transisi, drop-down akan terjadi melalui jalur yang berbeda, alih-alih memancarkan dua foton berenergi lebih rendah. Ini dikenal sebagai peluruhan dua-foton atau transisi, dan inilah yang terutama bertanggung jawab untuk Semesta menjadi netral.

Ketika Anda bertransisi dari orbital

Ketika Anda memancarkan satu foton, hampir selalu bertabrakan dengan atom hidrogen lain, menariknya dan akhirnya mengarah ke reionisasinya. Tetapi ketika Anda memancarkan dua foton, sangat tidak mungkin keduanya akan menabrak atom pada saat yang sama, artinya Anda menjaring satu atom netral tambahan.

Transisi dua-foton ini, meskipun jarang terjadi, adalah proses di mana atom netral terbentuk pertama kali. Ini membawa kita dari Semesta yang panas, diisi plasma ke Semesta yang hampir sama panas yang diisi dengan 100% atom netral. Meskipun kita mengatakan bahwa Semesta membentuk atom-atom ini 380.000 tahun setelah Big Bang, ini sebenarnya merupakan proses yang lambat dan bertahap yang membutuhkan waktu sekitar 100.000 tahun untuk menyelesaikan kedua sisi dari angka itu. Setelah atom-atomnya netral, tidak ada lagi yang tersisa bagi cahaya Ledakan Dahsyat. Ini adalah asal dari CMB: Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik.

Sebuah Alam Semesta di mana elektron dan proton bebas dan bertabrakan dengan transisi foton ke transisi netral ke foton yang transparan saat Semesta mengembang dan mendingin. Yang ditunjukkan di sini adalah plasma terionisasi (L) sebelum CMB dipancarkan, diikuti oleh transisi ke Universe netral (R) yang transparan untuk foton. Penyebaran antara elektron dan elektron, serta elektron dan foton, dapat dijelaskan dengan baik oleh persamaan Dirac, tetapi interaksi foton-foton, yang terjadi pada kenyataannya, tidak. (AMANDA YOHO)

Ini menandai pertama kalinya bahwa Semesta menjadi transparan terhadap cahaya. Foton yang tersisa dari Big Bang, sekarang panjang gelombangnya dan energinya rendah, akhirnya dapat melakukan perjalanan bebas melalui Semesta. Dengan elektron bebas yang hilang - terikat pada atom netral yang stabil - foton tidak memiliki apa pun untuk menghentikannya atau memperlambatnya.

Tetapi atom netral sekarang ada di mana-mana, dan mereka melayani tujuan yang berbahaya. Walaupun mereka dapat membuat Semesta transparan bagi foton berenergi rendah ini, atom-atom ini akan bergabung bersama menjadi awan molekul, debu, dan kumpulan gas. Atom netral dalam konfigurasi ini mungkin transparan untuk cahaya berenergi rendah, tetapi cahaya berenergi tinggi, seperti yang dipancarkan oleh bintang, diserap oleh mereka.

Ilustrasi bintang-bintang pertama yang menyala di Semesta. Tanpa logam untuk mendinginkan bintang-bintang, hanya gumpalan terbesar dalam awan bermassa besar yang bisa menjadi bintang. Sampai cukup waktu berlalu agar gravitasi mempengaruhi skala yang lebih besar, hanya skala kecil yang dapat membentuk struktur sejak dini, dan bintang-bintang itu sendiri akan melihat cahayanya tidak mampu menembus sangat jauh melalui alam semesta yang buram. (NASA)

Ketika semua atom di Semesta sekarang netral, mereka melakukan pekerjaan yang sangat baik untuk menghalangi cahaya bintang. Konfigurasi yang sama lama ditunggu-tunggu yang kami perlukan untuk membuat Semesta transparan sekarang membuatnya buram lagi untuk foton dengan panjang gelombang berbeda: sinar ultraviolet, optik, dan inframerah dekat yang diproduksi oleh bintang.

Untuk membuat Semesta transparan terhadap jenis cahaya lain ini, kita perlu mengionisasi semuanya lagi. Ini berarti bahwa kita memerlukan cahaya berenergi tinggi yang cukup untuk menendang elektron dari atom yang terikat, yang membutuhkan sumber kuat emisi ultraviolet.

Dengan kata lain, Semesta perlu membentuk bintang-bintang yang cukup untuk berhasil mereionisasi atom-atom di dalamnya, menjadikan medium intergalaksi low-density yang transparan terhadap cahaya bintang.

Tampilan empat-panel ini menunjukkan wilayah pusat Bima Sakti dalam empat panjang gelombang cahaya yang berbeda, dengan panjang gelombang (submillimeter) yang lebih panjang di bagian atas, melewati inframerah jauh-dan-dekat (2 dan 3) dan berakhir dengan tampilan cahaya tampak dari Bima Sakti. Perhatikan bahwa jalur debu dan bintang latar depan mengaburkan pusat dalam cahaya tampak, tetapi tidak begitu banyak dalam inframerah. (ESO / ATLASGAL CONSORTIUM / NASA / CONSORTIUM GLIMPSE / SURVEI VVV / ESA / PLANCK / D. MINNITI / S. PENJAMINAN PENJARA: IGNACIO TOLEDO, MARTIN KORNMESSER)

Kita melihat ini bahkan di galaksi kita sendiri: pusat galaksi tidak dapat dilihat dalam cahaya tampak. Bidang galaksi kaya akan debu dan gas netral, yang sangat berhasil memblokir ultraviolet berenergi lebih tinggi dan cahaya tampak, tetapi cahaya inframerah menembus dengan jelas. Ini menjelaskan mengapa latar belakang gelombang mikro kosmik tidak akan diserap oleh atom netral, tetapi cahaya bintang akan melakukannya.

Untungnya, bintang-bintang yang kita bentuk bisa besar dan panas, di mana yang paling masif itu jauh lebih bercahaya dan lebih panas daripada Matahari kita. Bintang-bintang awal dapat puluhan, ratusan, atau bahkan ribuan kali lebih besar dari Matahari kita, yang berarti bintang-bintang itu dapat mencapai suhu permukaan puluhan ribu derajat dan kecerahan yang jutaan kali lebih terang dari Matahari kita. Raksasa raksasa ini adalah ancaman terbesar bagi atom-atom netral yang tersebar di seluruh Alam Semesta.

Bintang-bintang pertama di Alam Semesta akan dikelilingi oleh atom netral (sebagian besar) gas hidrogen, yang menyerap cahaya bintang. Hidrogen membuat Universe buram menjadi terlihat, ultraviolet, dan sebagian besar cahaya inframerah, tetapi cahaya panjang gelombang panjang, seperti cahaya radio, dapat mentransmisikan tanpa hambatan. (PENUH NICOLE RAGER / YAYASAN ILMU PENGETAHUAN NASIONAL)

Yang kita butuhkan adalah bintang-bintang yang cukup untuk membentuk bahwa mereka dapat membanjiri Semesta dengan jumlah foton ultraviolet yang cukup. Jika mereka dapat mengionisasi cukup dari bahan netral ini mengisi media intergalaksi, mereka dapat membersihkan jalur di semua arah untuk cahaya bintang untuk melakukan perjalanan tanpa hambatan. Selain itu, harus terjadi dalam jumlah yang cukup sehingga proton dan elektron terionisasi tidak dapat kembali bersama lagi. Tidak ada ruang untuk shenanigans gaya Ross-dan-Rachel dalam upaya untuk reionisasi Semesta.

Bintang-bintang pertama menghasilkan penyok kecil dalam hal ini, tetapi gugusan bintang paling awal adalah kecil dan berumur pendek. Selama beberapa ratus juta tahun pertama di Alam Semesta kita, semua bintang yang terbentuk nyaris tidak dapat menentukan seberapa banyak materi di Alam Semesta yang tetap netral. Tapi itu mulai berubah ketika gugus bintang bergabung bersama, membentuk galaksi pertama.

Ilustrasi CR7, galaksi pertama yang terdeteksi yang diduga menampung bintang Population III: bintang pertama yang pernah terbentuk di Semesta. JWST akan mengungkap gambar sebenarnya dari galaksi ini dan yang lain menyukainya, dan akan dapat melakukan pengukuran objek-objek ini bahkan ketika reionisasi belum selesai. (ESO / M. KORNMESSER)

Ketika gumpalan besar gas, bintang, dan materi lainnya bergabung bersama, mereka memicu ledakan formasi bintang yang luar biasa, menerangi Semesta yang belum pernah terjadi sebelumnya. Seiring berjalannya waktu, serangkaian fenomena terjadi sekaligus:

  • daerah-daerah dengan koleksi materi terbesar bahkan menarik lebih banyak bintang dan gugusan bintang ke arah mereka,
  • daerah yang belum terbentuk bintang dapat mulai,
  • dan daerah di mana galaksi pertama dibuat menarik galaksi muda lainnya,

yang semuanya berfungsi untuk meningkatkan laju pembentukan bintang secara keseluruhan.

Jika kita memetakan Alam Semesta pada saat ini, apa yang kita lihat adalah bahwa laju pembentukan bintang meningkat pada kecepatan yang relatif konstan selama beberapa miliar tahun pertama keberadaan Semesta. Di beberapa daerah yang menguntungkan, cukup banyak masalah terionisasi cukup awal sehingga kita dapat melihat melalui Semesta sebelum sebagian besar wilayah di reionisasi; di negara lain, mungkin diperlukan dua atau tiga miliar tahun hingga materi netral terakhir dihilangkan.

Jika Anda memetakan materi netral Semesta sejak awal Big Bang, Anda akan menemukan bahwa ia mulai beralih ke materi terionisasi dalam rumpun, tetapi Anda juga akan menemukan bahwa butuh ratusan juta tahun untuk menghilang sebagian besar. Itu tidak merata, dan lebih disukai di sepanjang lokasi bagian-bagian terpadat dari jaringan kosmik.

Diagram skematis dari sejarah Semesta, menyoroti reionisasi. Sebelum bintang atau galaksi terbentuk, Semesta penuh dengan atom-atom netral yang menghalangi cahaya. Sementara sebagian besar Semesta tidak menjadi terionisasi hingga 550 juta tahun setelahnya, beberapa wilayah akan mencapai reionisasi penuh sebelumnya dan yang lain tidak akan mencapainya sampai nanti. Gelombang reionisasi besar pertama mulai terjadi pada usia sekitar 250 juta tahun, sementara beberapa bintang yang beruntung dapat terbentuk hanya 50 hingga 100 juta tahun setelah Big Bang. Dengan alat yang tepat, seperti Teleskop Luar Angkasa James Webb, kita mungkin mulai mengungkap galaksi yang paling awal. (S. G. DJORGOVSKI ET AL., PUSAT MEDIA CALTECH DIGITAL)

Rata-rata, dibutuhkan 550 juta tahun sejak lahirnya Big Bang bagi Semesta untuk menjadi terionisasi dan transparan menjadi cahaya bintang. Kami melihat ini dari mengamati quasar ultra jauh, yang terus menampilkan fitur penyerapan yang hanya menyebabkan netral, materi yang mengintervensi. Tetapi reionisasi tidak terjadi di mana-mana sekaligus; mencapai penyelesaian pada waktu yang berbeda di berbagai arah dan di lokasi yang berbeda. Alam semesta tidak rata, demikian pula bintang-bintang dan galaksi serta rumpun materi yang terbentuk di dalamnya.

Semesta menjadi transparan terhadap cahaya yang tersisa dari Big Bang ketika usianya kira-kira 380.000 tahun, dan tetap transparan hingga cahaya panjang gelombang sesudahnya. Tetapi baru ketika Semesta mencapai sekitar setengah miliar tahun, ia menjadi sepenuhnya transparan untuk diterangi cahaya bintang, dengan beberapa lokasi mengalami transparansi sebelumnya dan yang lain mengalaminya nanti.

Untuk menyelidiki melampaui batas-batas ini membutuhkan teleskop yang panjang gelombangnya lebih panjang dan lebih panjang. Dengan sedikit keberuntungan, James Webb Space Telescope akhirnya akan membuka mata kita terhadap Semesta seperti pada era di sela-sela ini, di mana ia transparan terhadap cahaya Big Bang tetapi tidak menjadi cahaya bintang. Ketika itu membuka matanya pada Semesta, kita akhirnya bisa belajar bagaimana Semesta tumbuh selama zaman kegelapan yang kurang dipahami.

Mulai Dengan A Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.