Alam Semesta Dulunya Hangat Sebelum Terang

Alam semesta awal sebagaimana terlihat oleh spektrograf MUSE pada Teleskop Sangat Besar ESO. Kredit: ESA/Hubble & NASA, ESO/Lutz Wisotzki dkk.

Jadi, pertama-tama Big Bang terjadi. Segala sesuatu luar biasa panas dan padat; ada foton yang beterbangan di mana-mana, tetapi mereka terus bertabrakan dengan elektron dan inti terionisasi.

Kemudian, akhirnya setelah sekitar 380.000 tahun, kosmos menjadi cukup dingin bagi atom untuk stabil.

Alam semesta menjadi transparan secara optik, dan semua foton tersebut dapat berkeliaran bebas selama miliaran tahun, memungkinkan kita untuk melihatnya sebagai latar belakang gelombang mikro kosmik.

Lalu apa? Kegelapan

Selama kurang lebih satu miliar tahun, Alam Semesta tidak benar-benar menghasilkan cahaya baru.

Hidrogen dan helium kosmik terus mendingin, dan awan-awan mereka yang luas belum runtuh untuk membentuk bintang-bintang pertama.

Alam semesta tetap gelap hingga munculnya bintang-bintang pertama, yang cukup terang untuk mengionisasi hidrogen kembali.

Periode antara rekombinasi dan reionisasi dikenal sebagai zaman kegelapan kosmik. Meskipun kita tahu periode itu ada, kita tidak memiliki banyak bukti observasi untuk itu.

Tidak ada bintang terang, tidak ada awan plasma yang mendingin, tidak ada yang memancarkan jenis cahaya seperti yang kita lihat di alam semesta saat ini.

Namun, ada satu jenis cahaya saat itu, yang dikenal sebagai garis 21 cm.

Sebagian besar cahaya yang kita lihat setiap hari disebabkan oleh atom-atom dalam keadaan tereksitasi yang memancarkan cahaya untuk turun ke keadaan energi yang lebih rendah.

Jika elektron-elektron dalam suatu atom berada dalam keadaan energi terendah, maka mereka tidak dapat memancarkan cahaya.

Selama zaman kegelapan kosmik, hidrogen dan helium netral telah mendingin ke keadaan dasar, sehingga elektron mereka tidak dapat memancarkan cahaya apa pun.

Namun ternyata hidrogen netral dapat memancarkan sinyal radio yang sangat redup berkat interaksi spin antara proton dan elektronnya.

Ketika elektron dan proton memiliki orientasi spin yang sama, terdapat sejumlah kecil energi yang dapat dilepaskan. Elektron dapat membalik spinnya dan melepaskan energi tersebut.

Panjang gelombang cahaya yang dilepaskan sekitar 21 sentimeter, sehingga dinamakan demikian.

Hidrogen sejauh ini merupakan unsur paling melimpah di Alam Semesta, sehingga garis 21 cm merupakan cara yang tepat untuk memetakan distribusi materi.

Dan karena cahaya yang dipancarkan memiliki panjang gelombang yang sangat spesifik, kita dapat menggunakan hal-hal seperti pergeseran Doppler untuk mengamati bagaimana hidrogen bergerak.

Beginilah cara pertama kali kita menemukan bahwa rotasi galaksi menunjukkan keberadaan materi gelap.

Untuk mempelajari zaman kegelapan kosmik, para astronom berfokus pada garis 21 cm selama Zaman Reionisasi (EoR). Ini adalah periode ketika bintang dan galaksi pertama mulai terbentuk.

Tantangan untuk mengamati periode ini adalah bahwa garis 21 cm tidak hanya redup tetapi juga sangat bergeser merah.

Baru-baru ini kita memiliki teknologi untuk mengamati periode ini dengan baik.

Sekarang beberapa studi baru telah menemukan bahwa periode akhir zaman kegelapan kosmik gelap, tetapi tidak dingin.

Tim tersebut menggunakan data dari teleskop Murchison Widefield Array di Australia Barat.

Untuk menarik sinyal kosmologis dari derau radio latar belakang, mereka menggabungkan data selama satu dekade untuk menentukan spektrum daya garis hidrogen selama periode reionisasi.

Dari sini, mereka menemukan bahwa hidrogen di Alam Semesta mulai memanas sekitar 800 juta tahun setelah Big Bang. Suhunya sudah hangat sebelum bintang-bintang pertama menyala.

Hasil ini menarik karena menimbulkan pertanyaan tentang apa yang mungkin memanaskannya.

Salah satu dugaan adalah bahwa pemanasan tersebut disebabkan oleh sinar-X yang dihasilkan oleh lubang hitam awal.

Terlepas dari sumbernya, hasil ini mengesampingkan model "awal dingin" untuk reionisasi.

Bahkan selama periode gelap, kosmos secara aktif meletakkan dasar bagi bintang-bintang dan galaksi yang kita lihat saat ini.