Galaksi dan "Kill Switch" yang Menghentikan Pertumbuhan

Galaksi dan Pertumbuhan yang Terbatas

Galaksi tidak tumbuh selamanya. Pada suatu titik, bahkan galaksi yang paling aktif dalam pembentukan bintang mulai melambat, kemudian berhenti, dan akhirnya memasuki masa pensiun yang panjang dan tenang. Para astronom telah mengetahui tentang transisi ini selama waktu yang lama, tetapi belum memiliki penjelasan fisik yang jelas tentang mengapa hal ini terjadi, dan mengapa hal ini terjadi pada skala massa tertentu.

Sebuah penelitian baru yang dipimpin oleh Preetish Mishra dari Korea Institute for Advanced Study, bersama dengan tim ilmuwan internasional, membuat proposal yang jelas dan dapat diuji: bahwa perlambatan pertumbuhan galaksi disebabkan oleh kelahiran awan gas panas yang stabil di sekitar galaksi, dan awan tersebut terbentuk pada massa tertentu, yaitu sekitar 10^12,5 massa matahari. Di atas ambang batas ini, galaksi berhenti menjadi pabrik bintang yang efisien, tidak peduli seberapa banyak bahan baku yang mereka miliki.

Simulasi dan Hasil

Untuk mencapai perhitungan ini, tim menggunakan simulasi Horizon Run 5, salah satu simulasi kosmologi terbesar yang pernah dibuat. Simulasi ini memodelkan fisika penuh dari gas, gravitasi, pembentukan bintang, supernova, dan lubang hitam supermasif dari segera setelah Big Bang hingga hari ini, dan memungkinkan peneliti untuk melacak galaksi individu selama sejarah mereka. Mishra dan rekan-rekannya memilih sekitar 20.000 galaksi pusat yang paling masif dan mengamati apa yang terjadi pada mereka selama waktu kosmik.

Parameter kunci yang mereka lacak adalah rasio massa bintang-terhadap-massa total. Ini adalah ukuran seberapa banyak dari anggaran massa galaksi (bintang, gas, materi gelap, lubang hitam, semuanya) yang benar-benar terkunci dalam bintang. Bayangkan ini sebagai laporan efisiensi pembentukan bintang galaksi.

Temuan dan Implikasi

Tim menemukan bahwa rasio ini mencapai puncaknya secara tajam pada galaksi dengan massa total antara sekitar 10^12,4 dan 10^12,7 massa matahari. Di bawah kisaran ini, galaksi mengubah gas menjadi bintang secepat gas masuk. Di atasnya, mereka melambat lebih dari tiga kali lipat. Puncak ini adalah massa kritis.

Teori Mishra tentang mengapa galaksi berhenti tumbuh adalah pembentukan awan gas panas yang telah mencapai keseimbangan gravitasi. Ketika galaksi tumbuh, gas yang jatuh ke dalamnya dipanaskan. Hingga massa tertentu, gas tersebut mendingin dengan cukup cepat untuk terus turun dan memberi makan pembentukan bintang baru.

Di atas massa kritis, halo menjadi padat dan panas sehingga dapat menopang dirinya sendiri melawan gravitasi selama miliaran tahun. Gas tidak dapat mendingin dengan cukup cepat untuk jatuh dan galaksi tiba-tiba kehabisan pasokan bahan bakar. Galaksi terus menelan materi gelap dan menarik galaksi satelit, tetapi gas dingin yang sebenarnya membentuk bintang berhenti datang.

Kesimpulan dan Tantangan

Penelitian ini juga menolak penjelasan alternatif. Salah satu tebakan alami adalah bahwa galaksi di atas massa kritis kehilangan lebih banyak materi normal mereka karena aliran keluar dari supernova dan inti galaksi aktif. Tim memeriksa ini secara langsung dengan menghitung seberapa banyak dari anggaran baryon galaksi yang sebenarnya tetap terikat pada sistem. Variasi yang dihasilkan tidak lebih dari 30 persen. Ini tidak berarti tidak ada, tetapi tidak dapat menjelaskan penurunan efisiensi pembentukan bintang sebesar tiga kali lipat. Perubahan yang menentukan terjadi pada sisi aliran masuk, bukan sisi aliran keluar.

Beberapa catatan perlu diperhatikan. Horizon Run 5 adalah simulasi, bukan teleskop, dan hasilnya bergantung pada fisika sub-grid yang digunakan untuk memodelkan pembentukan bintang, supernova, dan umpan balik lubang hitam. Penulis melakukan tes sensitivitas dan hasil dasar tetap berlaku, tetapi nilai numerik yang tepat dari skala massa kritis dapat bergeser ketika preskripsi tersebut diperbaiki.

Analisis ini juga membatasi diri pada galaksi di atas 10^10,8 massa matahari untuk memastikan bahwa setiap galaksi memiliki cukup partikel simulasi untuk dipecahkan dengan andal. Galaksi yang lebih kecil adalah cerita untuk simulasi lain.

Apa yang membuat pekerjaan ini memuaskan adalah bahwa itu mengaitkan pola pengamatan terkenal dengan mekanisme fisik tunggal. Tidak hanya galaksi di atas massa tertentu yang berhenti tumbuh, tetapi mereka berhenti tumbuh karena awan gas panas mereka menjadi mandiri. Ini adalah jenis pernyataan yang dapat diperiksa melawan survei masa depan dari klaster galaksi dan medium intergalaksi hangat-panas, gas dan debu antara galaksi.

Kita akan tahu apakah mereka mendapatkan jawaban yang benar sekali survei tersebut selesai.