Bintang pertamabagaimana cahaya pertama alam semesta menyala

Cahaya pertama alam semesta datang dari bintang pertama, yang menyala sekitar 150 juta tahun setelah Big Bang: raksasa dengan ratusan massa Matahari. Sebelum itu, halo materi gelap sudah terbentuk sekitar 100 juta tahun, dan sumur gravitasinya mulai mengumpulkan gas. Begitu raksasa-raksasa ini menyala, cahaya bintangnya mengionisasi ulang hidrogen netral, dan ketika mereka mati, mereka menebarkan unsur berat ke angkasa untuk pertama kalinya.

Era ini berlangsung dari 150 juta hingga 1 miliar tahun, dan menyaksikan lahirnya bintang sekaligus munculnya lubang hitam dan kuasar.

Enam peristiwa

• 100 juta tahun · Halo materi gelap terbentuk: Sumur gravitasi mulai mengumpulkan gas. Bayangkan mangkuk raksasa tak terlihat: gas meluncur menuruni dindingnya dan menumpuk di dasar.
• 150 juta tahun · Bintang pertama: Sebuah raksasa dengan ratusan massa Matahari menyala.
• 200 juta tahun · Reionisasi kosmik: Cahaya bintang mengionisasi hidrogen netral kembali.
• 200 juta tahun · Supernova pertama: Unsur berat ditebarkan ke angkasa untuk pertama kalinya. Bintang tidak hanya bersinar; mereka "tungku alkimia" pertama.
• 300 juta tahun · Lubang hitam pertama: Inti bintang raksasa runtuh menjadi lubang hitam.
• 700 juta tahun · Kuasar: Lubang hitam supermasif bersinar saat menelan materi.

Langkah-langkah ini saling bergantung. Tanpa sumur gravitasi, gas tidak bisa berkumpul. Tanpa bintang, tidak ada supernova dan tidak ada lubang hitam sesudahnya. Tanpa lubang hitam, tidak ada kuasar. Tahunnya perkiraan; dalam kenyataan proses-proses ini berlangsung terus-menerus dan saling tumpang tindih.

Sumur gravitasi tak terlihat: materi gelap

Petunjuk paling awal datang dari gugus galaksi. Galaksi-galaksi di Gugus Koma bergerak terlalu cepat, sehingga seseorang mengusulkan "materi gelap", gagasan yang diabaikan selama puluhan tahun (Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). Buktinya kembali pada 1970: bagian luar galaksi Andromeda berotasi terlalu cepat, dan sejumlah besar materi tak terlihat pasti memberi gravitasinya. Materi gelap tak lagi sekadar dugaan (Rubin dan Ford, The Astrophysical Journal, 1970).

Bukti yang lebih langsung datang ketika dua gugus galaksi bertabrakan: gas tertinggal di tengah sementara pusat gravitasi berakhir di kedua sisi, jadi materi gelapnya "terlempar" keluar. Judul makalahnya menyebutnya "bukti empiris langsung" keberadaan materi gelap (Clowe dkk., The Astrophysical Journal Letters, 2006).

Mengapa bintang bersinar, dan bagaimana mereka mati

Bagaimana Matahari bisa terbakar miliaran tahun? Bintang bersinar lewat fusi nuklir, teka-teki yang dipecahkan dalam makalah berjudul "Energy production in stars" (Bethe, Physical Review, 1939). Nasib bintang setelah mati juga punya batas: katai putih punya massa maksimum sekitar 1,4 massa Matahari, dan di atasnya bintang pasti terus runtuh (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).

Lubang hitam: dari bukti tak langsung hingga bayangan

Melacak orbit bintang-bintang di dekat pusat Galaksi selama lebih dari sepuluh tahun menunjukkan bahwa lubang hitam sekitar 4 juta massa Matahari bersembunyi di sana. Karya ini meraih Hadiah Nobel 2020 (Ghez dkk., The Astrophysical Journal, 2008). Dua lubang hitam bergabung 1,3 miliar tahun lalu, dan riak ruangwaktu akhirnya terdengar oleh manusia, mengonfirmasi ramalan Einstein seabad sebelumnya (Abbott dkk., LIGO dan Virgo, Physical Review Letters, 2016). Teleskop radio di seluruh dunia membentuk "teleskop virtual" seukuran Bumi dan memotret bayangan lubang hitam di pusat galaksi M87 (Kolaborasi Event Horizon Telescope, The Astrophysical Journal Letters, 2019).

Teka-teki yang belum terpecahkan

Ketika alam semesta berumur kurang dari 700 juta tahun, sudah ada lubang hitam 800 juta massa Matahari. Bagaimana ia tumbuh secepat itu? Itu masih misteri. Judul makalahnya juga menyebut dua kondisi: pergeseran merah 7,5 dan "alam semesta yang sangat netral" (Bañados dkk., Nature, 2018).

Ingin membaca aslinya? Cari judul-judul ini

• Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, kira-kira "Pergeseran merah nebula ekstragalaktik"
• Rubin dan Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe dkk. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939): Energy production in stars
• Ghez dkk. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott dkk. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados dkk. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

Cara game menampilkannya

Dalam game, rentang waktu era Bintang pertama adalah "150 juta – 1 miliar tahun" dan sumber dayanya adalah bintang. Generatornya adalah Halo materi gelap, Keruntuhan gas, Protobintang, dan Raksasa Populasi III, kira-kira mengikuti urutan proses "dari sumur gravitasi ke bintang" di atas.