Akhirnya, kita tahu apa yang membawa cahaya ke ruang kosong yang gelap dan tak berbentuk di awal Semesta.

Menurut data dari Teleskop Antariksa Hubble dan James Webb, sumber foton bebas di fajar kosmik awal adalah galaksi kerdil kecil yang bersinar terang, membersihkan kabut hidrogen gelap yang memenuhi ruang antar galaksi. Sebuah paper tentang penelitian ini diterbitkan pada Februari 2024.

“Penemuan ini mengungkap peran penting yang dimainkan oleh galaksi ultra-redup dalam evolusi Semesta awal,” kata astrofisikawan Iryna Chemerynska dari Institut d’Astrophysique de Paris.

“Mereka menghasilkan foton pengion yang mengubah hidrogen netral menjadi plasma terionisasi selama reionisasi kosmik. Ini menekankan pentingnya memahami galaksi bermassa rendah dalam membentuk sejarah Semesta.”

Di awal Semesta, dalam beberapa menit setelah Big Bang, ruang dipenuhi kabut plasma terionisasi yang panas dan padat. Cahaya yang ada tidak akan bisa menembus kabut ini; foton hanya akan terpencar oleh elektron bebas yang bertebaran, membuat Semesta efektif gelap.

Saat Semesta mendingin, setelah sekitar 300.000 tahun, proton dan elektron mulai bergabung membentuk gas hidrogen netral (dan sedikit helium).

Sebagian besar panjang gelombang cahaya bisa menembus medium netral ini, tetapi sumber cahaya untuk menghasilkannya sangat sedikit. Namun, dari hidrogen dan helium inilah bintang-bintang pertama lahir.

Bintang-bintang pertama itu memancarkan radiasi yang cukup kuat untuk melepaskan elektron dari intinya dan mengionisasi kembali gas. Namun, pada titik ini, Semesta telah meluas begitu banyak sehingga gasnya menyebar, dan tidak bisa mencegah cahaya bersinar.

Sekitar 1 miliar tahun setelah Big Bang, akhir periode yang dikenal sebagai fajar kosmik, Semesta sepenuhnya terionisasi. Ta-da! Lampu menyala.

Tetapi karena begitu banyak kekeruhan di fajar kosmik, dan karena sangat redup dan jauh melintasi waktu dan ruang, kita kesulitan melihat apa yang ada di sana.

Para ilmuwan berpikir bahwa sumber yang bertanggung jawab atas sebagian besar pembersihan pasti sangat kuat – lubang hitam besar yang akresinya menghasilkan cahaya menyala, misalnya, dan galaksi besar dalam masa pembentukan bintang (bintang bayi menghasilkan banyak cahaya UV).

JWST dirancang, sebagian, untuk mengintip ke fajar kosmik dan mencoba melihat apa yang bersembunyi di sana. Ini sangat sukses, mengungkap segala macam kejutan tentang waktu krusial dalam pembentukan Semesta kita ini. Yang mengejutkan, pengamatan teleskop sekarang menunjukkan bahwa galaksi kerdil adalah pemain kunci dalam reionisasi.

Tim internasional yang dipimpin oleh astrofisikawan Hakim Atek dari Institut d’Astrophysique de Paris beralih ke data JWST pada gugus galaksi bernama Abell 2744, didukung oleh data dari Hubble.

Abell 2744 sangat padat sehingga ruang-waktu melengkung di sekitarnya, membentuk lensa kosmik; cahaya jauh yang bergerak ke kita melalui ruang-waktu itu menjadi diperbesar. Ini memungkinkan para peneliti melihat galaksi kerdil kecil di dekat fajar kosmik.

Kemudian, mereka menggunakan JWST untuk mendapatkan spektrum rinci dari galaksi-galaksi kecil ini. Analisis mereka mengungkapkan bahwa, galaksi kerdil ini bukan hanya jenis galaksi yang paling melimpah di Semesta awal, tetapi juga jauh lebih terang dari yang diperkirakan.

Faktanya, penelitian tim menunjukkan bahwa galaksi kerdil melebihi jumlah galaksi besar dengan perbandingan 100 banding 1, dan output gabungan mereka adalah empat kali radiasi pengion yang biasanya diasumsikan untuk galaksi yang lebih besar.

“Pusat kekuatan kosmik ini secara kolektif memancarkan energi yang lebih dari cukup untuk menyelesaikan tugas,” kata Atek.

“Meskipun ukurannya kecil, galaksi bermassa rendah ini adalah produsen radiasi energik yang produktif, dan kelimpahan mereka selama periode ini sangat besar sehingga pengaruh kolektif mereka dapat mengubah seluruh keadaan Semesta.”

Ini adalah bukti terbaik sejauh ini untuk kekuatan di balik reionisasi, tetapi masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan. Para peneliti melihat satu area kecil di langit; mereka perlu memastikan bahwa sampel mereka bukan hanya gugusan galaksi kerdil yang anomali, tetapi merupakan sampel representatif dari seluruh populasi di fajar kosmik.

Mereka berniat mempelajari lebih banyak daerah lensa kosmik di langit untuk mendapatkan sampel populasi galaksi awal yang lebih luas. Tetapi hanya dari satu sampel ini, hasilnya sangat menarik. Para ilmuwan telah mengejar jawaban tentang reionisasi sejak kita mengetahuinya. Kita di ambang akhirnya menghilangkan kabut.

“Kami sekarang telah memasuki wilayah yang belum dipetakan dengan JWST,” kata astrofisikawan Themiya Nanayakkara dari Swinburne University of Technology di Australia.

“Pekerjaan ini membuka lebih banyak pertanyaan menarik yang perlu kita jawab dalam upaya kita untuk memetakan sejarah evolusi asal-usul kita.”

Penelitian ini telah diterbitkan di Nature.

Versi artikel ini awalnya diterbitkan pada Maret 2024.