GALAKSI YANG NYARIS TANPA KARBON, 1 MILIAR TAHUN SETELAH DENTUMAN BESAR

Tepat setelah Dentuman Besar, materi biasa hampir hanya terdiri dari hidrogen dan helium. Setiap unsur yang lebih berat — karbon, oksigen, besi — dibuat kemudian, di dalam bintang, dan disebarkan oleh ledakan bintang-bintang itu.

Hal ini penting bagi cara bintang lahir. Awan gas yang runtuh memanas saat menyusut, dan harus membuang panas itu agar dapat terpecah menjadi bintang-bintang. Di alam semesta masa kini, ion karbon dan oksigen melakukan sebagian besar pendinginan, dan awan pecah menjadi bintang dari segala ukuran, banyak di antaranya lebih kecil daripada Matahari. Tanpa unsur-unsur itu, awan-awan pertama hanya dapat mendingin melalui molekul hidrogen. Awan itu pecah menjadi gumpalan besar, dan bintang yang terbentuk sebagian besar masif.

Berapa banyak karbon dan oksigen yang diperlukan untuk beralih ke pembentukan bintang yang “normal”? Sangat sedikit: sekitar 1/3.000 dari porsi Matahari. Ambang itu terlampaui begitu cepat sehingga setiap galaksi jauh yang terlihat bersinar sejauh ini, termasuk oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb, sudah jauh di atasnya pada saat galaksi itu cukup terang untuk dilihat.

Membaca awan dalam cahaya kuasar

Ada cara lain untuk menemukan gas primitif: membiarkannya menyerap cahaya dari sesuatu yang lebih terang di belakangnya. Sarah Bosman dari Universitas Heidelberg, Frederick Davies dari Max Planck Institute for Astronomy, dan 23 rekan sedang menyurvei 30 kuasar paling terang pada pergeseran merah (redshift) antara 4,5 dan 5,5 dengan GHOST, spektrograf yang dipasang pada 2024 di teleskop Gemini South di Chili, yang mereka gambarkan sebagai spektrograf resolusi tinggi paling peka yang pernah dibuat.

Cahaya kuasar J1941−4500 melintasi awan padat hidrogen netral — sebuah “penyerap Lyman-alfa teredam” (damped Lyman-alpha absorber), jenis penampung gas yang diduga berada dalam jarak beberapa kiloparsek dari wilayah pembentukan bintang sebuah galaksi. Setiap unsur di dalam awan menyerap cahaya pada panjang gelombangnya sendiri. Setelah eksposur 5,8 jam, tim dapat mengukur silikon, oksigen, dan karbon; besi sama sekali tidak terdeteksi.

Awan paling murni sejauh ini

Awan yang dinamai UMP-DLA-1 ini berada pada pergeseran merah 5,14, sekitar 1,1 miliar tahun setelah Dentuman Besar. Angka-angkanya:

Karbon: 11.000 kali lebih sedikit daripada di Matahari relatif terhadap hidrogen (sekitar 16.000 kali lebih sedikit dengan acuan Matahari terbaru).
Oksigen dan silikon: sekitar 5.000 kali lebih sedikit daripada di Matahari.
Itu lebih dari tiga kali lebih miskin oksigen dan silikon, dan empat kali lebih miskin karbon, daripada awan sejenis mana pun yang dikenal sebelumnya. Awan ini juga yang paling miskin besi.
Fraksi massa total unsur yang lebih berat daripada helium: 3,16 per sejuta.

Para penulis menggabungkan karbon dan oksigen menjadi satu angka, “diskriminan transisi” (transition discriminant), yang memprediksi apakah sebuah awan dapat cukup mendingin:

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0,3 × 10^[O/H])

Di bawah −3,5, sebuah awan tidak dapat runtuh menjadi bintang yang lebih kecil dari sekitar satu massa Matahari. UMP-DLA-1 berada pada −3,85. Ini adalah penampung gas pertama yang pernah ditemukan di bawah garis ini — sehingga kandungan logamnya yang rendah saja sudah menjamin bahwa bintang-bintangnya sebagian besar berat.

Kantong terlambat dari alam semesta awal

Ini berarti pembentukan bintang di dalam gas yang hampir tak tersentuh, dengan sebagian besar bintang masif, masih mungkin terjadi lama setelah bintang-bintang pertama muncul — bahkan setelah berakhirnya zaman reionisasi.

Kimia awan ini juga merupakan sampel dari apa yang ditinggalkan bintang-bintang masif miskin logam itu saat meledak: karbon sedikit lebih sedikit daripada oksigen, serta oksigen dan silikon dalam proporsi seperti Matahari. Pola ini sendiri tidak dapat menunjukkan apakah bintang-bintang itu benar-benar generasi pertama atau generasi kedua yang awal. Tetapi pola itu cocok dengan awan-awan dari masa yang lebih kemudian, yang oleh penelitian sebelumnya ditelusuri ke hanya 1 hingga 30 supernova bintang generasi pertama. Para penulis menyarankan bahwa memburu jejak bintang-bintang pertama di kantong-kantong gas murni yang tersisa, pada pergeseran merah di bawah 7, mungkin lebih membuahkan hasil daripada melihat jauh lebih ke belakang, melampaui pergeseran merah 20.

Beberapa bintang yang sangat tua dan sangat miskin logam di galaksi katai kecil dekat Bima Sakti memiliki tanda kimia yang sama. Para penulis mengatakan “sangat mungkin” bahwa bintang-bintang itu adalah penyintas terakhir di antara bintang-bintang kecil yang lahir di galaksi seperti ini.

Beruntung, atau umum?

Menemukan awan semacam ini di antara hanya 30 kuasar itu mengejutkan. Kecuali survei itu luar biasa beruntung, tulis para penulis, lebih banyak awan seperti ini mungkin tersembunyi di spektrum yang sudah ada, terkubur dalam serapan hidrogen yang padat di alam semesta awal. Teleskop raksasa masa depan, seperti Extremely Large Telescope, yang diarahkan ke kuasar redup yang akan ditemukan misi Euclid, seharusnya dapat melakukan sensus lengkap. Untuk saat ini, UMP-DLA-1 adalah objek tunggal, diukur dengan asumsi bahwa gasnya bergerak sebagai satu blok — asumsi yang didukung para penulis dengan tidak adanya garis serapan yang jenuh.