Simulasi Superkomputer Mengungkap Bagaimana Lengan Spiral Bima Sakti Terbentuk

Sejak Kerdil Sagitarius ditemukan, para astronom mencoba mencocokkan puing-puing dari bentuk galaksi yang terlihat di alam semesta.

---

Lengan spiral pada galaksi Bima Sakti mungkin terbentuk akibat tabrakan epik antara Bima Sakti dan galaksi kerdil Sagitarius, demikian menurut peneliti dari Universitas Pittsburgh bersama para kolega, yang dipublikasikan dalam jurnal Nature.

Simulasi superkomputer oleh Christopher W. Purcell, pasca-doktoral riset dari Departemen Fisika dan Astronomi di Sekolah Seni dan Ilmu Pengetahuan Pitt, bersama para kolega melaporkan temuan mereka dalam makalah berjudul “The Sagittarius Impact as an Architect of Spirality and Outer Rings in the Milky Way.”

Makalah ini merupakan yang pertama yang mengidentifikasi Sagitarius sebagai arsitek struktur spiral di Bima Sakti kita. “Hal ini menyajikan cara baru dan agak tak terduga untuk berpikir tentang mengapa galaksi kita berpenampilan seperti itu,” kata Purcell.

“Secara kosmologis, hal ini menunjukkan gagasan bahwa dampak yang relatif kecil seperti itu bisa memiliki dampak yang dramatis pada struktur galaksi di seluruh alam semesta,” tambahnya. Ide ini telah diasumsikan secara teoritis, namun tidak pernah ditunjukkan.

Dalam bidang kosmologi, simulasi superkomputer adalah satu-satunya laboratorium untuk percobaan ilmiah. Dengan superkomputer, para astronom dapat menciptakan simulasi skala kecil atau model peristiwa kekerasan di kejauhan yang terjadi selama miliaran tahun, serta mengamati model dalam percepatan-waktu, untuk membuat prediksi yang dapat diuji oleh pengamatan aktual alam semesta .

Temuan Purcell didasarkan pada simulasi superkomputer yang ia lakukan untuk gelar PhD di University of California, Irvine, dan di laboratorium profesor fisika dan astronomi, PittAndrew Zentner.

Simulasi komputer memvisualisasikan cakram Galaksi Bima Sakti untuk tiga kasus: tidak ada tabrakan dengan sebuah galaksi kerdil, tabrakan dengan sebuah galaksi kerdil Sagitarius bermassa lebih rendah, dan tabrakan dengan galaksi kerdil Sagitarius bermassa lebih tinggi. Galaksi kita ditunjukkan baik di sisi dan permukaan dalam panel inset, lokasi matahari ditandai sebagai titik kuning, dan lokasi inti puing-puing Kerdil Sagitarius ditandai sebagai titik merah muda, seperti yang ditunjukkan setelah lebih dari dua miliar tahun evolusi terisolasi. Tampil di latar belakang adalah render global dari puing-puing pasang surut "Sagitarius cahaya" dan cakram Bima Sakti. (Kredit: Chris Purcell/HI-PACC)

Menariknya, simulasi Purcell mengungkapkan bahwa yang lebih penting daripada bintang-bintang Kerdil Sagitarius adalah “materi gelap“-nya yang tak terlihat – sama dengan massa seluruh bintang di Bima Sakti.

Materi yang terlihat hanya kurang dari lima persen di alam semesta, sementara hampir seperempat dari alam semesta ini terdiri dari materi gelap transparan. Keberadaannya hanya bisa dirasakan melalui pengaruh gravitasinya. Kini diketahui bahwa setiap galaksi, termasuk Kerdil Sagitarius (pra-tabrakan) dan Bima Sakti kita sendiri, berada di tengah-tengah lingkaran raksasa materi gelap beberapa kali lebih besar radiusnya dan berkali-kali lebih besar massanya.

“Ketika semua materi gelap membentur Bima Sakti, 80 hingga 90 persennya terlucuti,” kata Purcell. Tabrakan pertama itu – yang terjadi lebih dari dua miliar tahun yang lalu – menghasilkan ketidakstabilan yang diperkuat dengan cepat, hingga akhirnya membentuk lengan spiral dan struktur cincin di pinggiran galaksi kita.

Dalam disertasinya, Purcell terfokus pada pertanyaan: Efek apa yang mengulangi tabrakan Kerdil Sagitarius dengan Bima Sakti?

Selama beberapa dekade terakhir, kebijakan konvensional menyatakan bahwa Bima Sakti relatif tidak terganggu selama beberapa juta tahun terakhir. Apapun struktur spiral yang ada, lengan ini, hanyalah hasil dari cakram Bima Sakti yang berevolusi dalam isolasi.

Sejak Kerdil Sagitarius ditemukan, para astronom mencoba mencocokkan puing-puing dari bentuk galaksi yang terlihat di alam semesta. Pada tahun 2003, teleskop inframerah dan superkomputer yang menelusuri gerakan orbital bintang-bintangnya telah mengungkapkan bahwa Kerdil Sagitarius benar-benar bertabrakan dengan Bima Sakti sebanyak dua kali – sekali 1,9 miliar tahun yang lalu dan 0,9 miliar tahun yang lalu.

“Tapi apa yang lakukan tabrakan itu terhadap galaksi Bima Sakti tidak pernah disimulasi sama sekali,” kata Purcell. “Simulasi kami adalah yang pertama untuk mencoba melakukan itu.”

Para peneliti menemukan bahwa tabrakan tersebut mengatur ketidakstabilan – fluktuasi dalam kepadatan bintang – pada cakram datar Bima Sakti yang berotasi. Galaksi kita berotasi lebih cepat menuju pusat dibanding ke arah tepinya, sehingga ketidakstabilan membentang dan terfregmentasi, mengarah pada pembentukan lengan spiral.

Simulasi juga mengungkapkan bahwa tabrakan memunculkan cincin seperti struktur yang ditemukan di tepi galaksi kita.

Tabrakan kedua kurang mempengaruhi Bima Sakti, sehingga hanya menimbulkan gelombang pembentuk spiral yang ringan dan kurang padat, karena Kerdil Sagitarius kemudian kehilangan sebagian besar massa materi gelapnya.

Tanpa materi gelap untuk menahan galaksi kerdil secara bersamaan, bintang-bintangnya yang terlihat mulai dipisahkan oleh medan gravitasi besar Bima Sakti dan kekuatan pasang surutnya.

“Kosmologi yang dominan dalam astrofisika adalah salah satu kekerasan pada skala kecil. Galaksi seperti Bima Sakti terus-menerus dibombardir oleh galaksi-galaksi kerdil yang kecil. Ini belum dihargai sebelum pekerjaan kita bisa menunjukkan betapa dramatisnya tabrakan-tabrakan tersebut pada cakram bintangnya sendiri,” kata Purcell. “Kami berharap menemukan beberapa tanda yang lebih halus dari tabrakan seperti ini – sebuah suar di luar cakram. Kami mengharapkan untuk melihat beberapa perubahan morfologi ringan pada Bima Sakti. Tapi kami tidak berharap melihat struktur spiral mulai muncul sebagai hasil dari tabrakan tersebut. Hal itu adalah sesuatu yang tidak kami perkirakan.”

Memang, Purcell dan kolaborator tertunda mempublikasikan temuan ini selama beberapa bulan demi memastikan bahwa mereka memahami mengapa mereka bisa melihat hasil ini. “Kami harus meyakinkan diri sendiri bahwa kami tidak gila,” kelakarnya.

Saat ini, pita-pita bintang yang panjang dari puing-puing galaksi kerdil tersebar di seluruh dan di sekitar Bima Sakti, dan “sekarang, miliaran dan miliaran partikel materi gelap dari Kerdil Sagitarius turun menghujani bumi,” ujar Purcell. “Sementara itu, Matahari sendiri berputar di sekitar pusat Galaksi Bima Sakti, dalam sistem beberapa lengan spiral yang kompleks dan masih berevolusi.”

Tabrakan ketiga terjadi hanya beberapa juta tahun kemudian, kata Purcell. Tapi bagaimana para peneliti tahu?

“Kami bisa tahu saat kami melihat ke arah pusat Bima Sakti,” kata Purcell. “Tepat di sisi berlawanan dari kita, kami bisa melihat gumpalan bintang menabrak permukaan cakram sebelah selatan dari bawah. Kami bisa mengukur kecepatan bintang-bintang itu. Kami tahu bahwa galaksi kerdil menghancurkan cakram – hanya berselang 10 juta tahun kemudian.”

University of California High-Performance AstroComputing Center (UC-HIPACC), berbasis di University of California di Santa Cruz, merupakan konsorsium dari semua kampus Universitas California, tiga laboratorium Departemen Energi (Laboratorium Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore Laboratory, dan Los Alamos National Laboratory), serta NASA Ames Research Center.

Kredit: University of Pittsburgh
Jurnal: Chris W. Purcell, James S. Bullock, Erik J. Tollerud, Miguel Rocha, Sukanya Chakrabarti. The Sagittarius impact as an architect of spirality and outer rings in the Milky Way. Nature, 2011; 477 (7364): 301 DOI: 10.1038/nature10417
Curtis Struck. Astrophysics: Rough times in the Galactic countryside. Nature, 2011; 477 (7364): 286 DOI: 10.1038/477286a