Quasar adalah salah satu objek paling terang dan terkuat di alam semesta. Mereka ditenagai oleh lubang hitam supermasif yang mengonsumsi materi di sekitar pusat galaksi, menghasilkan begitu banyak energi sehingga dapat dilihat pada jarak miliaran tahun cahaya.
Kini tim peneliti internasional telah mengidentifikasi 31 quasar tertua yang pernah ditemukan, termasuk dua contoh pertama yang diketahui. Benda-benda luar biasa ini sudah bersinar dengan cahaya sekitar satu triliun matahari ketika alam semesta baru berusia sekitar 670 juta tahun. Penemuan ini, diterbitkan di Astronomi dan astrofisikamenawarkan wawasan yang belum pernah terjadi sebelumnya mengenai salah satu bab paling awal dalam sejarah kosmik.
“Objek-objek ini memberikan petunjuk terbaik untuk memahami bagaimana lubang hitam supermasif terbentuk,” kata rekan penulis Joseph Hennawi, seorang profesor fisika di UC Santa Barbara dan Universitas Leiden. “Monster-monster ini – yang beratnya miliaran kali massa matahari kita – sudah ada ketika alam semesta masih dalam masa pertumbuhan. Kita belum sepenuhnya memahami bagaimana mereka bisa menjadi begitu masif dan begitu cepat.”
Mengapa quasar kuno sangat sulit ditemukan
Selama beberapa dekade, para astronom telah mencari quasar pertama di alam semesta karena mereka menyimpan informasi berharga tentang penciptaan galaksi pertama dan lubang hitam supermasif.
Namun, menemukannya sangatlah sulit. Quasar yang terbentuk kurang dari 770 juta tahun setelah Big Bang sangatlah langka karena hanya sejumlah kecil galaksi yang tumbuh cukup besar untuk menampungnya. Cahaya redupnya juga mudah disalahartikan sebagai cahaya bintang yang lebih dekat dengan galaksi kita.
Hambatan lainnya datang dari perluasan alam semesta. Seiring meluasnya ruang angkasa selama miliaran tahun, cahaya dari quasar jauh ini beralih dari ultraviolet ke inframerah dekat. Atmosfer bumi secara alami bersinar dalam panjang gelombang ini, sehingga lebih sulit bagi teleskop berbasis darat untuk mendeteksi objek redup tersebut.
Para astronom menggunakan efek ini, yang disebut pergeseran merah, untuk memperkirakan jarak dan usia. Semakin besar pergeseran merah, semakin jauh dan awal suatu objek muncul dalam sejarah kosmik. “Pergeseran merah sebesar 7 membawa kita kembali ke masa ketika alam semesta baru berusia 750 juta tahun, kurang dari 6% dari usianya saat ini,” kata Hennawi.
“Kedua hal ini membuat penemuan quasar pada jarak ini menjadi sangat sulit,” kata penulis utama Daming Yang, seorang mahasiswa doktoral dalam kelompok Hennawi di Universitas Leiden. “Untuk masing-masing bintang tersebut, terdapat ribuan bintang di Bima Sakti kita dan galaksi-galaksi tetangganya yang terlihat hampir sama dalam survei pencitraan. Dan karena cahaya mereka meluas hingga inframerah pada jarak tersebut, kita memerlukan survei yang cukup lebar untuk menangkap objek-objek langka ini dan cukup dalam untuk mendeteksi cahaya redupnya.”
Karena keterbatasan ini, pencarian dari permukaan bumi hampir tidak mungkin dilakukan. Mengamati dari luar angkasa memberikan pandangan yang lebih jelas.
Teleskop Luar Angkasa Euclid Menemukan 31 Quasar Kuno
Badan Antariksa Eropa meluncurkan teleskop luar angkasa Euclid pada tahun 2023 untuk mempelajari alam semesta selama era penting ini. Beroperasi di atas atmosfer bumi, Euclid menghindari cahaya inframerah yang membatasi pengamatan di darat saat mensurvei sebagian besar langit pada kedalaman yang luar biasa.
Dengan menggunakan data dari Euclid Wide Survey, para peneliti telah mengidentifikasi 31 quasar baru yang belum pernah terjadi sebelumnya dari alam semesta awal. Setelah selesai, survei tersebut akan memetakan lebih dari sepertiga seluruh langit. Beberapa dari quasar yang baru ditemukan ini berasal dari masa ketika alam semesta baru berusia sekitar 5% dari usianya saat ini.
Hingga saat ini, para astronom hanya mendeteksi quasar kuno yang paling terang dan paling langka, sehingga hanya menyisakan terlalu sedikit contoh untuk mempelajari populasi quasar kuno secara keseluruhan.
“Euclid benar-benar merupakan pengubah permainan,” kata Daming. “Sebelumnya, kita hanya dapat menemukan segelintir quasar kuno yang paling terang, namun Euclid memungkinkan kita mencari area luas di langit dengan lebih efisien untuk menangkap cahaya yang jauh lebih redup. Ini adalah alat unik untuk berburu quasar.”
Sebuah jendela menuju miliaran tahun pertama alam semesta
Para peneliti baru-baru ini mengamati lebih dekat quasar tertua kedua dalam koleksi baru tersebut. Mereka menemukan bahwa lubang hitam tersebut berada di dalam galaksi berdebu dan kaya gas yang sedang mengalami ledakan pembentukan bintang yang intens, memberikan petunjuk baru tentang lingkungan tempat lubang hitam supermasif pertama berkembang.
Quasar yang baru ditemukan ini berasal dari periode kritis yang dikenal sebagai zaman reionisasi, ketika bintang dan galaksi pertama mengubah alam semesta awal dengan mengionisasi hidrogen netral yang pernah mengisi ruang angkasa. Era ini membentuk evolusi kosmos setelahnya.
Di antara 31 quasar yang baru ditemukan, 14 memiliki pergeseran merah sebesar 7 atau lebih. Dua quasar tertua memiliki pergeseran merah sebesar 7,69 dan 7,77, menjadikannya quasar pertama yang pernah teridentifikasi. Terletak hanya sekitar 13 miliar tahun cahaya jauhnya, mereka terlihat seperti keberadaannya selama 670 juta tahun pertama alam semesta. Mereka juga melampaui rekor sebelumnya yang dibuat oleh kelompok riset Hennawi pada tahun 2021.
“Setiap langkah mundur ke masa lalu membuat teka-teki semakin membingungkan: bagaimana alam semesta menghasilkan lubang hitam supermasif begitu cepat?” kata Hennawi. “Kami menemukan lubang hitam dengan massa ratusan juta kali massa matahari kita pada saat alam semesta baru saja dimulai.”
Melihat lebih dalam sejarah kosmik
Para astronom secara bertahap bergerak lebih jauh ke belakang dalam sejarah kosmik melalui kombinasi teleskop yang lebih baik dan teknik penelitian yang lebih canggih. Butuh lebih dari satu dekade untuk menemukan 10 quasar pertama dengan pergeseran merah 7 atau lebih. Euclid telah menemukan lebih banyak lagi dalam satu tahun, menggandakan populasi benda-benda yang sangat kuno ini.
Pembelajaran mesin juga telah menjadi bagian penting dari penelitian. Menurut Hennawi, algoritma canggih kini dapat memeriksa puluhan juta sumber astronomi dan memisahkan beberapa quasar sejati dari sejumlah besar bintang dan galaksi yang terlihat serupa.
Tim Hennawi menghabiskan waktu bertahun-tahun mengembangkan banyak algoritma yang digunakan dalam penemuan ini. Dia juga memimpin pengembangan PypeIt, perangkat lunak yang digunakan oleh para astronom Universitas California untuk memproses pengamatan yang dikumpulkan oleh teleskop Keck. Dengan menggunakan akses observasi dari Universitas California, Keck mengkonfirmasi dua pertiga dari quasar yang baru ditemukan, termasuk tiga contoh yang paling jauh.
Para peneliti sekarang bertujuan untuk menemukan quasar pertama yang diketahui melampaui pergeseran merah 8, yang akan mengungkap sebuah objek yang ada selama 630 juta tahun pertama alam semesta.
James Webb dan ALMA akan mempelajari raksasa purba ini
Penemuan quasar ini hanyalah permulaan. Tim telah mendapatkan waktu observasi dengan Teleskop Luar Angkasa James Webb untuk mempelajari banyak di antaranya secara mendetail. Pengamatan di masa depan akan mengukur massa lubang hitam, menganalisis kimia gas di sekitarnya, dan menggunakan cahayanya untuk melacak bagaimana reionisasi terjadi di alam semesta muda.
Sementara itu, Array Milimeter Besar Atacama akan mempelajari debu, gas, dan pembentukan bintang di dalam galaksi yang menampung quasar kuno ini, sehingga memberikan gambaran yang lebih jelas tentang evolusi galaksi besar pertama.
“Visi yang lebih besar adalah menyatukan semua ini ke dalam garis waktu yang koheren,” kata Hennawi: “sebuah kronik quasar dari miliaran tahun pertama.”
Daming Yang, Antoine Basset dan Jean-Charles Cuillandre dari Konsorsium Euclid berkontribusi pada cerita ini.
