Pada tahun 1998, ahli astrofisika menemukan bahwa alam semesta mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat, hal ini disebabkan oleh entitas misterius yang disebut energi gelap yang membentuk sekitar 70% alam semesta kita. Meskipun sudah diperkirakan oleh pengukuran sebelumnya, penemuan ini agak mengejutkan; pada saat itu, para ahli astrofisika sepakat bahwa perluasan alam semesta seharusnya melambat karena gravitasi.
Penemuan revolusioner ini, yang dicapai oleh para ahli astrofisika dengan pengamatan terhadap jenis bintang yang meledak tertentu, yang disebut supernova tipe Ia (dibaca “tipe satu-A”), diakui dengan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2011.
Kini, 25 tahun setelah penemuan awal, para ilmuwan yang bekerja pada Survei Energi Gelap telah merilis hasil analisis yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menggunakan teknik yang sama untuk menyelidiki lebih jauh misteri energi gelap dan perluasan alam semesta. Mereka memberikan batasan terkuat terhadap perluasan alam semesta yang pernah diperoleh melalui survei supernova DES.
Dalam presentasi di 243rd pertemuan American Astronomical Society pada 8 Januari dan dalam makalah yang diserahkan ke Astrophysical Journal pada bulan Januari berjudul, “Survei Energi Gelap: Kosmologi menghasilkan ~1500 supernova tipe Ia dengan pergeseran merah tinggi baru menggunakan kumpulan data 5 tahun penuh,” astrofisikawan DES melaporkan hasil yang konsisten dengan model kosmologis alam semesta dengan percepatan ekspansi yang kini menjadi standar. Namun, temuan ini tidak cukup pasti untuk mengesampingkan model yang mungkin lebih kompleks.
Mengambil pendekatan unik untuk analisis
Survei Energi Gelap adalah kolaborasi internasional yang terdiri dari lebih dari 400 astrofisikawan, astronom, dan kosmolog dari lebih dari 25 institusi yang dipimpin oleh anggota Fermi National Accelerator Laboratory milik Departemen Energi AS. DES memetakan area hampir seperdelapan seluruh langit menggunakan Dark Energy Camera, kamera digital 570 megapiksel yang dibuat oleh Fermilab dan didanai oleh DOE Office of Science. Itu dipasang di Teleskop Víctor M. Blanco di Cerro Tololo Inter-American Observatory milik National Science Foundation, sebuah Program NOIRLab NSF pada tahun 2012. Ilmuwan DES mengambil data selama 758 malam selama enam tahun.
Untuk memahami sifat energi gelap dan mengukur laju perluasan alam semesta, ilmuwan DES melakukan analisis dengan empat teknik berbeda, termasuk teknik supernova yang digunakan pada tahun 1998.
Teknik ini memerlukan data dari supernova tipe Ia, yang terjadi ketika bintang mati yang sangat padat, yang dikenal sebagai katai putih, mencapai massa kritis dan meledak. Karena massa kritis hampir sama untuk semua katai putih, semua supernova tipe Ia memiliki kecerahan sebenarnya yang kurang lebih sama dan variasi yang tersisa dapat dikalibrasi. Jadi, ketika ahli astrofisika membandingkan kecerahan dua supernova tipe Ia yang terlihat dari Bumi, mereka dapat menentukan jarak relatifnya dari kita.
Para ahli astrofisika menelusuri sejarah ekspansi kosmik dengan sampel besar supernova yang tersebar pada jarak yang sangat jauh. Untuk setiap supernova, mereka menggabungkan jaraknya dengan pengukuran pergeseran merahnya – seberapa cepat ia menjauh dari Bumi akibat perluasan alam semesta. Mereka dapat menggunakan sejarah tersebut untuk menentukan apakah kepadatan energi gelap tetap konstan atau berubah seiring waktu.
“Seiring dengan perluasan alam semesta, kepadatan materi menurun,” kata direktur dan juru bicara DES Rich Kron, yang merupakan ilmuwan Fermilab dan Universitas Chicago. “Tetapi jika kepadatan energi gelap adalah konstan, itu berarti proporsi total energi gelap harus meningkat seiring dengan peningkatan volume.”
Puncak dari upaya selama satu dekade
Model kosmologis standar adalah ΛCDM, atau Lambda Cold Dark Matter, atau Lambda Cold Dark Matter, sebuah model yang didasarkan pada kepadatan energi gelap yang konstan sepanjang waktu kosmik. Ini memberi tahu kita bagaimana alam semesta berevolusi, hanya menggunakan beberapa fitur, seperti kepadatan materi, jenis materi, dan perilaku energi gelap. Metode supernova membatasi dua fitur ini dengan sangat baik: kepadatan materi dan kuantitas yang disebut wyang menunjukkan apakah kepadatan energi gelap konstan atau tidak.
Menurut model kosmologi standar, kepadatan energi gelap di alam semesta adalah konstan, yang berarti energi gelap tidak berkurang seiring dengan mengembangnya alam semesta. Jika ini benar, parameter diwakili oleh huruf tersebut w harus sama dengan –1.
Ketika kolaborasi DES secara internal mengungkap hasil supernova mereka, hal ini merupakan puncak dari upaya selama satu dekade dan momen emosional bagi banyak astrofisikawan yang terlibat. “Saya gemetar,” kata Tamara Davis, seorang profesor di Universitas Queensland di Australia dan salah satu ketua kelompok kerja supernova DES. “Itu benar-benar momen yang menyenangkan.”
Hasilnya ditemukan w = –0,80 +/- 0,18 hanya menggunakan supernova. Dikombinasikan dengan data pelengkap dari teleskop Planck Badan Antariksa Eropa, w mencapai –1 di dalam bilah kesalahan.
“w menggiurkan tidak tepat pada –1, namun cukup dekat sehingga konsisten dengan –1,” kata Davis. “Model yang lebih kompleks mungkin diperlukan. Energi gelap memang dapat berubah seiring waktu.”
Untuk mencapai kesimpulan yang pasti, para ilmuwan memerlukan lebih banyak data. Namun DES tidak akan mampu menyediakannya; survei berhenti mengambil data pada Januari 2019. Tim supernova, yang dipimpin oleh banyak Ph.D. mahasiswa dan rekan pascadoktoral, akan segera mengambil semua yang mereka bisa dari pengamatan DES.
“Lebih dari 30 orang telah terlibat dalam analisis ini, dan ini adalah puncak dari kerja keras selama hampir 10 tahun,” kata Maria Vincenzi, peneliti di Duke University yang ikut memimpin analisis kosmologis sampel supernova DES. “Beberapa dari kami mulai mengerjakan proyek ini ketika kami baru saja meraih gelar Ph.D., dan kami sekarang memulai posisi fakultas. Jadi, Kolaborasi DES berkontribusi pada pertumbuhan dan pengembangan profesional seluruh generasi kosmolog.”
Merintis pendekatan baru
Analisis supernova DES akhir ini menghasilkan banyak perbaikan atas hasil supernova pertama DES yang dirilis pada tahun 2018 yang hanya menggunakan 207 supernova dan data selama tiga tahun.
Untuk analisis tahun 2018, ilmuwan DES menggabungkan data tentang spektrum setiap supernova untuk menentukan pergeseran merahnya dan mengklasifikasikannya sebagai tipe Ia atau tidak. Mereka kemudian menggunakan gambar yang diambil dengan filter berbeda untuk mengidentifikasi fluks di puncak kurva cahaya – sebuah metode yang disebut fotometri. Namun spektrum sulit diperoleh, sehingga membutuhkan banyak waktu pengamatan pada teleskop terbesar, sehingga tidak praktis untuk survei energi gelap di masa depan seperti Legacy Survey of Space and Time (LSST), yang akan dilakukan di Observatorium Vera C. Rubin, yang dioperasikan bersama. oleh NOIRLab NSF dan Laboratorium Akselerator Nasional SLAC DOE.
Studi baru ini memelopori pendekatan baru dalam menggunakan fotometri – dengan empat filter yang belum pernah ada sebelumnya – untuk menemukan supernova, mengklasifikasikannya, dan mengukur kurva cahayanya. Spektroskopi lanjutan dari galaksi induk dengan Teleskop Anglo-Australia memberikan pergeseran merah yang tepat untuk setiap supernova. Penggunaan filter tambahan juga memungkinkan data yang lebih tepat dibandingkan survei sebelumnya dan merupakan kemajuan besar dibandingkan sampel supernova pemenang Nobel, yang hanya menggunakan satu atau dua filter.
Peneliti DES menggunakan teknik pembelajaran mesin canggih untuk membantu klasifikasi supernova. Di antara data dari sekitar dua juta galaksi jauh yang diamati, DES menemukan beberapa ribu supernova. Para ilmuwan akhirnya menggunakan 1.499 supernova tipe Ia dengan data berkualitas tinggi, menjadikannya sampel supernova terbesar dan terdalam dari satu teleskop yang pernah dikumpulkan. Pada tahun 1998, para astronom pemenang Nobel hanya menggunakan 52 supernova untuk menentukan bahwa alam semesta mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat. “Ini merupakan peningkatan yang sangat besar dibandingkan 25 tahun yang lalu,” kata Davis.
Ada sedikit kelemahan pendekatan fotometrik baru dibandingkan dengan spektroskopi: Karena supernova tidak memiliki spektrum, terdapat ketidakpastian yang lebih besar dalam klasifikasi. Namun, ukuran sampel yang jauh lebih besar yang dimungkinkan oleh pendekatan fotometrik lebih dari cukup untuk menutupi hal ini.
Teknik inovatif yang dipelopori DES akan membentuk dan mendorong analisis astrofisika di masa depan. Proyek seperti LSST milik Rubin dan Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman milik NASA akan melanjutkan proyek yang ditinggalkan DES. “Kami memelopori teknik-teknik ini yang akan bermanfaat langsung bagi survei supernova generasi berikutnya,” kata Kron.
“Hasil supernova baru ini menarik karena ini berarti kita benar-benar dapat mengikatnya dan membagikannya kepada masyarakat dan berkata, 'Ini adalah upaya terbaik kita dalam menjelaskan cara kerja alam semesta,'” kata Dillon Brout, seorang asisten profesor di Universitas Boston yang ikut memimpin analisis kosmologis sampel DES Supernova bersama Vincenzi. “Kendala-kendala ini sekarang akan menjadi standar emas dalam kosmologi supernova selama beberapa waktu.”
Bahkan dengan eksperimen energi gelap yang lebih maju, para ilmuwan DES menekankan pentingnya memiliki model teoritis untuk menjelaskan energi gelap selain pengamatan eksperimental mereka. “Semua ini benar-benar merupakan wilayah yang tidak diketahui,” kata Kron. “Kami tidak memiliki teori yang menempatkan energi gelap ke dalam kerangka yang berhubungan dengan fisika lain yang kami pahami. Untuk saat ini, kami di DES berupaya membatasi cara kerja energi gelap dalam praktiknya dengan harapan, di kemudian hari, beberapa teori dapat dipalsukan.”
Ilmuwan DES terus menggunakan hasil supernova dalam lebih banyak analisis dengan mengintegrasikannya dengan hasil yang diperoleh dengan teknik DES lainnya. “Menggabungkan informasi supernova DES dengan wahana lain akan memberikan informasi yang lebih baik pada model kosmologis kita,” kata Davis.
“Bahkan jika kita mengukur energi gelap dengan presisi yang tak terhingga, bukan berarti kita mengetahui apa itu energi gelap,” katanya. “Energi gelap masih ada untuk ditemukan.”