Para peneliti yang dipimpin oleh Institute of Cosmos Sciences di Universitas Barcelona (ICCUB) telah mengembangkan teknik baru yang dapat meningkatkan cara para ilmuwan mempelajari perluasan Alam Semesta dan menyelidiki kekuatan misterius yang dikenal sebagai energi gelap.
Diterbitkan di Astronomi alamPenelitian ini memperkenalkan kerangka kerja yang disebut CIGaRS yang dapat mengekstrak lebih banyak informasi dari supernova Tipe Ia, ledakan bintang dahsyat yang digunakan untuk mengukur jarak kosmik yang sangat jauh. Tidak seperti banyak pendekatan saat ini, metode ini lebih mengandalkan data pencitraan daripada observasi spektroskopi yang mahal. Kemajuan ini akan membantu para astronom memanfaatkan sepenuhnya kumpulan data besar yang akan segera diperoleh dari survei langit generasi mendatang, khususnya yang dilakukan oleh Observatorium Vera C. Rubin.
Mengapa supernova tipe Ia penting
Supernova tipe Ia terjadi ketika bintang katai putih meledak. Karena ledakan ini mencapai kecerahan intrinsik yang hampir sama, para astronom menggunakannya sebagai “lilin standar”: dengan membandingkan kecerahan sebenarnya dengan kecerahan yang muncul dari Bumi, peneliti dapat menghitung jaraknya.
Pengukuran ini memainkan peran penting dalam penemuan bahwa alam semesta berkembang dengan kecepatan yang semakin cepat. Para ilmuwan mengaitkan percepatan ini dengan energi gelap, salah satu pertanyaan terpenting yang belum terselesaikan dalam fisika modern.
Namun, ada komplikasi penting. Supernova Tipe Ia tidak identik secara sempurna.
Bagaimana galaksi tuan rumah mempengaruhi pengukuran supernova
Selama 20 tahun terakhir, para astronom telah menemukan bahwa kecerahan supernova yang diamati dipengaruhi oleh galaksi tempat supernova tersebut terjadi. Supernova yang ditemukan di galaksi yang lebih tua atau lebih masif mungkin tampak sedikit berbeda dengan supernova yang ditemukan di galaksi yang lebih muda atau kurang masif.
Para peneliti umumnya menjelaskan perbedaan-perbedaan ini dengan menggunakan metode koreksi yang relatif sederhana. Meskipun berguna, perkiraan ini dapat membatasi keakuratan pengukuran jarak dan, oleh karena itu, ketepatan studi kosmologi.
Model terpadu supernova dan alam semesta
Kerangka kerja baru ini mengatasi tantangan ini dengan memodelkan beberapa faktor secara bersamaan. Daripada menangani masing-masing komponen secara terpisah, para peneliti membangun model tunggal dan terintegrasi yang mencakup ledakan supernova itu sendiri, galaksi induknya, debu yang mengubah cahayanya, perubahan laju supernova sepanjang sejarah kosmik, dan bahkan perluasan alam semesta.
Dengan menghubungkan semua unsur-unsur ini ke dalam satu kerangka statistik dan fisik, tim dapat menangkap hubungan yang sering diabaikan ketika unsur-unsur tersebut dianalisis secara terpisah.
“Cara ampuh untuk memodelkan Alam Semesta adalah dengan mensimulasikannya secara ab initio di komputer menggunakan inferensi Bayesian,” jelas Raúl Jiménez (ICREA-ICCUB), salah satu penulis penelitian ini. “Ini memberikan cara untuk memvariasikan semua parameter yang mungkin pada saat yang sama untuk memprediksi di alam semesta mana kita tinggal. Selain itu, dengan memiliki kemampuan ini, seseorang dapat memeriksa kemungkinan sistematika ‘yang tidak diketahui dan tidak diketahui’ untuk memahami efeknya. Dampak dari sistematika ini dalam kesimpulan kami bisa dibilang merupakan unsur paling penting yang hilang dalam pendekatan pemodelan Alam Semesta saat ini.”
Menggunakan kecerdasan buatan untuk menganalisis kosmos
Membangun model komprehensif seperti itu biasanya memerlukan daya komputasi yang sangat besar. Untuk menjadikan pendekatan ini praktis, para peneliti beralih ke teknik modern yang disebut inferensi berbasis simulasi.
Prosesnya dimulai ketika para ilmuwan menghasilkan sejumlah besar simulasi alam semesta berdasarkan model fisik. Jaringan saraf (sejenis kecerdasan buatan) kemudian mempelajari bagaimana pengamatan yang disimulasikan berhubungan dengan sifat fisik yang menghasilkannya. Setelah dilatih, sistem dapat membandingkan observasi astronomi nyata dengan simulasinya dan menentukan parameter dasar yang paling mungkin.
Strategi ini memungkinkan analisis puluhan ribu supernova secara bersamaan, sebuah tugas yang tidak praktis jika dilakukan dengan teknik tradisional.
Jarak galaksi yang tepat hanya dari gambar
Salah satu temuan paling signifikan dari penelitian ini adalah bahwa kerangka tersebut dapat menentukan jarak galaksi (pergeseran merah) dengan presisi tinggi hanya dengan menggunakan data pencitraan.
Pergeseran Merah mengukur seberapa besar peregangan cahaya galaksi seiring dengan perluasan alam semesta. Ini memberikan informasi tentang jarak ke galaksi dan jarak waktu kita mengamatinya.
Menurut para peneliti, metode baru ini memberikan perkiraan pergeseran merah dengan presisi yang sebanding dengan pengukuran spektroskopi, namun tanpa memerlukan spektrum. Kemampuan ini sangat penting karena survei di masa depan diharapkan dapat mengidentifikasi jutaan kandidat supernova, sementara hanya sebagian kecil yang secara realistis dapat menerima observasi spektroskopi lanjutan.
Siap menghadapi banjir data Observatorium Rubin
Observatorium Vera C. Rubin, yang saat ini sedang dibangun di Chili, diperkirakan akan segera memulai survei langit selama satu dekade. Selama misi ini, dia akan menemukan supernova dalam jumlah yang belum pernah terjadi sebelumnya. Sekitar 99% dari objek ini hanya akan diamati secara fotometrik, yaitu melalui gambar yang diambil dalam warna berbeda, bukan spektrum detail.
Kerangka kerja CIGaRS dikembangkan secara khusus dengan mempertimbangkan tantangan ini.
“Tidak seperti kerangka kerja lain, yang memerlukan penyederhanaan analitis, pendekatan inferensi berbasis simulasi end-to-end tanpa kompromi kami unik dalam mengekstraksi semua informasi kosmologis dan astrofisika dari data Observatorium Rubin yang diperoleh dengan susah payah, sekaligus menghindari jebakan bias seleksi dan pemodelan,” kata Konstantin Karchev (ICCUB-SISSA Trieste), penulis utama studi ini.
Sekilas tentang pembentukan supernova
Manfaatnya lebih dari sekadar mengukur energi gelap. Kerangka kerja ini juga memberikan wawasan baru tentang asal usul supernova Tipe Ia itu sendiri.
Dengan merekonstruksi bagaimana tingkat kemunculan supernova bervariasi sesuai usia bintang-bintang di galaksi yang berbeda, model ini membantu para ilmuwan menyelidiki pertanyaan-pertanyaan lama tentang sistem yang pada akhirnya menghasilkan ledakan-ledakan ini.
Para peneliti telah menemukan bahwa menggabungkan simulasi berbasis fisika dengan kecerdasan buatan dapat mengatasi beberapa keterbatasan metode kosmologis saat ini. Mereka memperkirakan bahwa pendekatan ini dapat memperbaiki kendala kosmologis hingga empat kali lipat dibandingkan dengan teknik tradisional yang hanya mengandalkan sampel supernova yang diamati secara spektroskopi dalam jumlah yang relatif kecil.
Saat Observatorium Rubin bersiap menyambut era baru penemuan astronomi, alat seperti CIGaRS dapat membantu para ilmuwan mengekstraksi sebagian besar informasi dari pengamatannya dan lebih memahami Alam Semesta.
