MUTIARA HITAM: SIDIK JARI DEBU 500 JUTA TAHUN SETELAH DENTUMAN BESAR

Teleskop Antariksa James Webb terus menemukan bahwa galaksi-galaksi terisi logam dan debu dengan kecepatan yang mengejutkan, dalam satu miliar tahun pertama sejarah kosmos. Debu sulit dipelajari dari jarak sejauh itu: pendar panasnya sendiri sangat sulit dideteksi. Namun debu juga meninggalkan jejak pada cahaya bintang yang melewatinya, dan salah satu jejak itu sangat bermakna.

Cekungan di ultraungu

Di Bima Sakti, debu meredupkan cahaya ultraungu dengan sebuah “tonjolan” (bump) lebar yang berpusat di sekitar 2.175 ångström: sebuah cekungan dalam spektrum, ciri terkuat pada kurva ekstingsi Galaksi kita. Ciri ini umumnya dikaitkan dengan butiran atau molekul kecil yang kaya karbon, meski jenis pastinya masih diperdebatkan — butiran grafit kecil, hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH), dan karbon amorf termasuk kandidatnya. Di sepanjang berbagai garis pandang di Bima Sakti, lebar dan kekuatan tonjolan ini bervariasi, tetapi posisi pusatnya sangat stabil.

Webb telah mendorong pencarian ini ke alam semesta awal. Deteksi penting datang dari sebuah galaksi pada pergeseran merah (redshift) 6,71, sekitar 800 juta tahun setelah Dentuman Besar, dengan tonjolan yang memuncak di sekitar 2.263 Å — lebih merah daripada di Bima Sakti. Satu lagi, pada pergeseran merah 7,11, memuncak di 2.257 Å. Rata-rata, tonjolan ini tampak melemah semakin jauh ke masa lalu.

Galaksi pada pergeseran merah 9,33

Giulia Rodighiero dari Universitas Padua dan INAF, bersama sekitar lima puluh rekan penulis di Eropa, Amerika, dan Asia, menelusuri spektrum NIRSpec milik Webb dari dua program terkoordinasi, ZENITH dan EMBER. Mereka memeriksa sumber di atas pergeseran merah 8, tempat wilayah 2.175 Å tercakup, tanpa memilih sumber yang sudah menunjukkan tonjolan. Satu sumber menonjol. Mereka menamainya Mutiara Hitam — makalahnya tidak menjelaskan alasannya.

Garis emisi hidrogen dan oksigen menempatkannya pada pergeseran merah 9,3335, terlihat seperti keadaannya sekitar 500 juta tahun setelah Dentuman Besar. Galaksi ini cukup kecil, dengan massa bintang sekitar 10^8,35 kali Matahari, membentuk bintang setara sekitar 2,4 Matahari per tahun, dan merupakan salah satu galaksi paling terang dalam ultraungu yang telah dikonfirmasi secara spektroskopis di atas pergeseran merah 9.

Dua cara melihat cekungan yang sama

Spektrumnya menunjukkan cekungan lebar tepat di tempat tonjolan debu seharusnya berada. Tim mengukurnya dengan dua cara yang independen.

Pertama, secara langsung: mencocokkan kontinum ultraungu dengan kurva mulus lalu mengukur peredupan tambahannya. Cekungan ini terdeteksi pada 17,6 sigma, dan menambahkan profil berbentuk tonjolan sangat memperbaiki kecocokan (χ² sebesar 474 turun menjadi 8,2). Profilnya memuncak di 2.132 ± 17 Å, dengan lebar 413 ± 54 Å dan peredupan puncak 0,21 magnitudo. Pemeriksaan menyingkirkan garis emisi karbon di dekatnya maupun campuran garis-garis yang tak terpisahkan sebagai penyebabnya.

Kedua, dengan model galaksi yang lengkap — bintang, gas, debu, dan fotometri — memakai hukum debu yang fleksibel dengan posisi dan lebar tonjolan yang dibiarkan bebas. Kedua riwayat pembentukan bintang yang diuji sama-sama memunculkan tonjolan, di sekitar 2.147 dan 2.168 Å, konsisten dengan pengukuran langsung meski kurang presisi.

Mungkinkah lubang hitam memalsukannya? Inti galaksi aktif dapat menghasilkan “hutan” garis besi yang meniru cekungan. Garis-garis emisi menunjukkan medan radiasi yang keras dan menyisakan ruang bagi sedikit kontribusi dari inti aktif, tetapi tidak cukup kuat untuk mendominasi ultraungu. Para penulis lebih condong ke debu, sembari mencatat bahwa inti aktif, “bahkan yang berpotensi cukup besar”, tidak dapat disingkirkan sepenuhnya.

Bergeser ke arah yang keliru

Lebarnya cocok dengan milik Bima Sakti. Posisinya tidak: 43 Å lebih biru daripada rata-rata Galaksi kita, pada sekitar 2,5 sigma, dan sekitar 127 Å lebih biru daripada dua tonjolan yang diketahui di sekitar pergeseran merah 7, yang bergeser ke arah merah. Bagi para penulis, keragaman ini menjadi argumen menentang adanya satu tonjolan universal di alam semesta awal: butiran debu penyebabnya kemungkinan berbeda dari satu galaksi ke galaksi lain.

Butiran apakah itu? Perhitungan untuk butiran grafit terkecil mendekati profil Mutiara Hitam, berbeda dengan kasus pergeseran merah 6,71 sebelumnya. Beberapa molekul PAH tunggal juga dapat menirunya — tetapi PAH langka di galaksi miskin logam pada pergeseran merah lebih rendah, dan radiasi intens yang disimpulkan di sini mungkin menghancurkan yang terkecil. Keduanya tetap masuk akal.

Debu dalam 200 juta tahun

Jam yang relevan bukanlah 500 juta tahun sejak Dentuman Besar, melainkan waktu sejak galaksi mulai membentuk bintang. Jika itu dimulai sekitar pergeseran merah 14, tersedia sekitar 200 juta tahun. Supernova, pertumbuhan butiran di ruang antarbintang, dan mungkin bintang AGB yang berevolusi paling cepat dapat berkontribusi; seberapa besar peran masing-masing masih belum terjawab.

Ini baru satu galaksi, pergeseran tonjolannya hanya signifikan pada sekitar 2,5 sigma, dan kurva atenuasi tidak dapat dipetakan secara unik ke jenis butiran tertentu. Makalah ini telah diajukan ke jurnal ApJ. Pesannya: bentuk tonjolan, bukan hanya keberadaannya, kini dapat melacak bagaimana debu pertama terbentuk.