Dengan mencatat kecepatan bintang-bintang di seluruh galaksi Bima Sakti, fisikawan MIT telah menemukan bahwa bintang-bintang yang berada jauh di piringan galaksi bergerak lebih lambat dari yang diperkirakan dibandingkan dengan bintang-bintang yang lebih dekat ke pusat galaksi. Temuan ini memunculkan kemungkinan yang mengejutkan: inti gravitasi Bima Sakti mungkin bermassa lebih ringan, dan mengandung lebih sedikit materi gelap, dibandingkan perkiraan sebelumnya.
Hasil baru ini didasarkan pada analisis tim terhadap data yang diambil oleh instrumen Gaia dan APOGEE. Gaia adalah teleskop luar angkasa yang mengorbit yang melacak lokasi, jarak, dan pergerakan tepat lebih dari 1 miliar bintang di seluruh galaksi Bima Sakti, sedangkan APOGEE adalah survei berbasis darat. Para fisikawan menganalisis pengukuran Gaia terhadap lebih dari 33.000 bintang, termasuk beberapa bintang terjauh di galaksi, dan menentukan “kecepatan melingkar” setiap bintang, atau seberapa cepat sebuah bintang berputar di piringan galaksi, mengingat jarak bintang tersebut dari pusat galaksi. .
Para ilmuwan memplot kecepatan setiap bintang terhadap jaraknya untuk menghasilkan kurva rotasi – grafik standar dalam astronomi yang menunjukkan seberapa cepat materi berputar pada jarak tertentu dari pusat galaksi. Bentuk kurva ini dapat memberi para ilmuwan gambaran tentang seberapa banyak materi tampak dan materi gelap yang tersebar di seluruh galaksi.
“Apa yang benar-benar mengejutkan kami adalah bahwa kurva ini tetap datar, datar, mendatar hingga jarak tertentu, dan kemudian mulai menyusut,” kata Lina Necib, asisten profesor fisika di MIT. “Ini berarti bintang-bintang terluar berputar sedikit lebih lambat dari yang diperkirakan, dan ini merupakan hasil yang sangat mengejutkan.”
Tim menerjemahkan kurva rotasi baru ke dalam distribusi materi gelap yang dapat menjelaskan perlambatan bintang-bintang terluar, dan menemukan peta yang dihasilkan menghasilkan inti galaksi yang lebih terang dari yang diharapkan. Artinya, pusat Bima Sakti mungkin kurang padat dan memiliki lebih sedikit materi gelap dibandingkan perkiraan para ilmuwan.
“Hal ini membuat hasil ini berbeda dengan pengukuran lainnya,” kata Necib. “Ada sesuatu yang mencurigakan sedang terjadi di suatu tempat, dan sangat menarik untuk mengetahui di mana letaknya, untuk mendapatkan gambaran yang koheren tentang Bima Sakti.”
Tim melaporkan hasilnya bulan ini di Pemberitahuan Bulanan Jurnal Royal Society. Rekan penulis studi ini di MIT, termasuk Necib, adalah penulis pertama Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, dan Anna Frebel.
“Dalam ketiadaan”
Seperti kebanyakan galaksi di alam semesta, Bima Sakti berputar seperti air di pusaran air, dan rotasinya sebagian didorong oleh semua materi yang berputar di dalam piringannya. Pada tahun 1970-an, astronom Vera Rubin adalah orang pertama yang mengamati bahwa galaksi berotasi dengan cara yang tidak dapat digerakkan hanya oleh materi yang terlihat. Dia dan rekan-rekannya mengukur kecepatan melingkar bintang dan menemukan bahwa kurva rotasi yang dihasilkan ternyata datar. Artinya, kecepatan bintang-bintang tetap sama di seluruh galaksi, bukannya menurun seiring bertambahnya jarak. Mereka menyimpulkan bahwa beberapa jenis materi tak kasat mata lainnya pasti beraksi pada bintang-bintang jauh untuk memberi mereka dorongan tambahan.
Karya Rubin dalam kurva rotasi adalah salah satu bukti kuat pertama keberadaan materi gelap – sebuah entitas tak kasat mata dan tak diketahui yang diperkirakan melebihi semua bintang dan materi tampak lainnya di alam semesta.
Sejak itu, para astronom telah mengamati kurva datar serupa di galaksi jauh, yang semakin mendukung keberadaan materi gelap. Baru-baru ini para astronom mencoba memetakan kurva rotasi di galaksi kita dengan bintang-bintang.
“Ternyata lebih sulit mengukur kurva rotasi jika Anda berada di dalam galaksi,” kata Ou.
Pada tahun 2019, Anna-Christina Eilers, asisten profesor fisika di MIT, berupaya memetakan kurva rotasi Bima Sakti, menggunakan kumpulan data sebelumnya yang dirilis oleh satelit Gaia. Rilis data tersebut mencakup bintang-bintang yang berjarak 25 kiloparsec, atau sekitar 81.000 tahun cahaya, dari pusat galaksi.
Berdasarkan data ini, Eilers mengamati bahwa kurva rotasi Bima Sakti tampak datar, meskipun dengan sedikit penurunan, mirip dengan galaksi jauh lainnya, dan berdasarkan kesimpulan, galaksi tersebut kemungkinan besar memiliki materi gelap dengan kepadatan tinggi di intinya. Namun pandangan ini kini berubah, ketika teleskop merilis kumpulan data baru, kali ini termasuk bintang-bintang yang berjarak 30 kiloparsec atau hampir 100.000 tahun cahaya dari inti galaksi.
“Pada jarak ini, kita berada tepat di tepi galaksi tempat bintang-bintang mulai menghilang,” kata Frebel. “Belum ada seorang pun yang menyelidiki bagaimana materi bergerak di galaksi terluar ini, tempat kita sebenarnya berada dalam ketiadaan.”
Ketegangan yang aneh
Frebel, Necib, Ou, dan Eilers memanfaatkan data baru Gaia, berupaya memperluas kurva rotasi awal Eilers. Untuk menyempurnakan analisis mereka, tim melengkapi data Gaia dengan pengukuran oleh APOGEE – Eksperimen Evolusi Galaksi Observatorium Apache Point, yang mengukur sifat-sifat yang sangat rinci dari lebih dari 700.000 bintang di Bima Sakti, seperti kecerahan, suhu, dan komposisi unsurnya.
“Kami memasukkan semua informasi ini ke dalam suatu algoritma untuk mencoba mempelajari koneksi yang kemudian dapat memberi kita perkiraan jarak bintang yang lebih baik,” jelas Ou. “Itulah cara kami bisa memperluas jangkauan kami.”
Tim tersebut menetapkan jarak yang tepat untuk lebih dari 33.000 bintang dan menggunakan pengukuran ini untuk menghasilkan peta tiga dimensi dari bintang-bintang yang tersebar di Bima Sakti hingga berukuran sekitar 30 kiloparsec. Mereka kemudian memasukkan peta ini ke dalam model kecepatan melingkar, untuk mensimulasikan seberapa cepat suatu bintang harus bergerak, mengingat distribusi semua bintang lain di galaksi. Mereka kemudian memplot kecepatan dan jarak masing-masing bintang pada grafik untuk menghasilkan kurva rotasi Bima Sakti yang diperbarui.
“Di situlah keanehan muncul,” kata Necib.
Alih-alih melihat penurunan ringan seperti kurva rotasi sebelumnya, tim mengamati bahwa kurva baru justru menukik lebih kuat dari perkiraan di ujung terluar. Penurunan tak terduga ini menunjukkan bahwa meskipun bintang-bintang dapat bergerak dengan kecepatan yang sama hingga jarak tertentu, mereka tiba-tiba melambat pada jarak terjauh. Bintang-bintang di pinggiran tampaknya bergerak lebih lambat dari perkiraan.
Ketika tim menerjemahkan kurva rotasi ini ke jumlah materi gelap yang seharusnya ada di seluruh galaksi, mereka menemukan bahwa inti Bima Sakti mungkin mengandung lebih sedikit materi gelap dibandingkan perkiraan sebelumnya.
“Hasil ini berbeda dengan pengukuran lainnya,” kata Necib. “Memahami hasil ini akan mempunyai dampak yang mendalam. Hal ini mungkin menyebabkan lebih banyak massa tersembunyi di luar tepi piringan galaksi, atau mempertimbangkan kembali keadaan keseimbangan galaksi kita. Kami berupaya menemukan jawabannya dalam penelitian mendatang, menggunakan simulasi resolusi tinggi dari galaksi mirip Bima Sakti.”