Mengungkap Peran Misterius Magnetisme di Galaksi

Versi asli dari cerita ini muncul di Majalah Quanta.

Di tengah pergolakan Bima Sakti, kantong-kantong gas yang sangat besar menyatu menjadi awan tempat bintang-bintang lahir. Dalam proses ini, ada tangan tersembunyi yang berperan: magnetisme.

“Ada kutipan yang fantastis: Anda dapat mengukur ketidaktahuan seseorang berdasarkan kekuatan medan magnetnya,” kata Susan Clarkseorang astrofisikawan di Universitas Stanford. “Dengan kata lain, ketika kita memiliki suatu masalah dalam sejarah astrofisika yang belum sepenuhnya kita pahami, salahkan saja medan magnet. Lambaikan tangan kita dan katakan, ‘Ah! Medan magnet!’”

Bagaimana tepatnya gaya fundamental ini membantu membentuk galaksi kita telah lama luput dari perhatian para ilmuwan, terutama karena mengukur medan magnet galaksi merupakan tantangan yang cukup besar. Karena tidak dapat mendeteksinya secara langsung, para astronom mencari petunjuk dengan mempelajari debu yang telah disejajarkan oleh medan magnet dan cahaya yang melewati debu ini.

Meskipun masih banyak yang belum diketahui, berbagai alat dan metode baru semakin mendekatkan kita untuk memahami pengaruh magnetisme terhadap evolusi bintang dan galaksi, dan Clark adalah salah satu ilmuwan yang mempelopori upaya ini. Sebagai pemimpin kelompok Magnetisme Kosmik dan Fisika Antarbintang di Stanford, ia menggunakan kombinasi teknik observasi, simulasi, dan teori baru untuk mengungkap teka-teki magnetisme galaksi. Tahun ini, ia dianugerahi Sloan Research Fellowship untuk “dosen muda berprestasi yang berpotensi merevolusi bidang studi mereka.”

“Kami berusaha untuk tidak menjadikannya sebagai ukuran ketidaktahuan kami, tetapi benar-benar memahami fisika terperinci tentang bagaimana medan magnet memengaruhi berbagai hal,” kata Clark.

Quanta baru-baru ini bertemu dengan Clark di sebuah konferensi di Santa Barbara, California, untuk mempelajari lebih lanjut tentang kemajuannya dalam menyelidiki kekuatan tak kasat mata di galaksi. Wawancara tersebut telah diringkas dan disunting untuk kejelasan.

Apa yang ingin Anda ketahui tentang medan magnet galaksi?

Ada begitu banyak hal yang tidak kita ketahui. Kami benar-benar ingin memahami peran medan magnet dalam semua proses fisik berbeda yang membentuk gas difus di antara bintang-bintang, yang disebut medium antarbintang, atau ISM. Kami tahu bahwa medan magnet memainkan semacam peran yang masih belum jelas dalam evolusi gas untuk membentuk gumpalan material yang sangat padat dan dingin yang disebut awan molekuler yang merupakan tempat lahirnya bintang-bintang. Dan kemudian ia berperan dalam bagaimana awan molekuler itu terpecah dan membentuk bintang-bintang. Kami benar-benar belum memahami detailnya sama sekali. Tetapi Anda melihat sulur atau filamen gas yang panjang ini di area ISM dengan kepadatan rendah yang sangat selaras dengan medan magnet. Kami ingin memahami apa artinya itu bagi transisi gas antara fase-fase di ISM, dan untuk turbulensi di ISM.

Jadi gas di medium antarbintang mengalami beberapa fase?

Gas di galaksi mencakup rentang kondisi fisik yang membingungkan. Anda memiliki awan molekul yang sangat padat dan dingin. Dan kemudian, di ujung ekstrem lainnya, Anda memiliki plasma yang sangat panas. Dan Anda memiliki rentang kondisi di antaranya, dan kita tahu bahwa kisah pembentukan bintang dan evolusi galaksi secara umum melibatkan gas yang mengalir di antara berbagai kondisi fisik ini, dan kita ingin memahami seluruh siklus kehidupan tentang bagaimana gas diubah menjadi bintang dan dimuntahkan kembali ke media antarbintang untuk menyemai generasi pembentukan bintang di masa mendatang.

Satu hal yang kami temukan dalam beberapa tahun terakhir adalah bahwa saat Anda bergerak ke struktur yang lebih padat di medium antarbintang, awan molekuler filamen sebenarnya lebih suka berorientasi ortogonal terhadap medan magnet lokal. Ini sangat menggoda untuk gagasan bahwa struktur medan magnet mungkin penting untuk di mana dan bagaimana Anda memahat simpul filamen panjang dari bahan molekuler yang pada akhirnya menjadi hal-hal yang memecah dan membentuk bintang. Ada begitu banyak pertanyaan terbuka tentang itu, dan apa yang ingin kami lakukan pada akhirnya adalah menyatukan seluruh gambaran evolusi tentang bagaimana gas dan medan magnet berinteraksi untuk mengatur proses pembentukan bintang ini.

Mengingat medan magnet itu sendiri tidak terlihat, bagaimana Anda memetakan strukturnya?

ISM memiliki banyak debu di dalamnya, potongan material yang berukuran mikron atau lebih kecil, dan butiran debu kecil ini memiliki bentuk yang tidak berbentuk; mereka bukan bola yang sempurna. Dan mereka sejajar dengan orientasi yang disukai sehubungan dengan medan magnet lokal tempat mereka berada. Salah satu konsekuensinya adalah jika Anda melihat cahaya optik atau inframerah dekat yang berasal dari bintang latar belakang, cahaya tersebut menyaring semua butiran debu yang sejajar secara magnetis ini, dan mereka menyerap cahaya yang terpolarisasi sejajar dengan sumbu panjangnya. Jadi Anda dapat mengukur polarisasi cahaya bintang yang tersisa, dan yang Anda lihat adalah jejak medan magnet dalam debu di antara teleskop dan bintang—bukankah itu keren?

Dan butiran debu tersebut juga memancarkan cahaya, dan radiasi tersebut memiliki sudut polarisasi yang ditentukan oleh orientasi medan magnet setempat. Jadi, itu hanyalah dua dari sekian banyak alat yang kami gunakan.

Apa yang kita ketahui tentang bagaimana medan magnet galaksi terbentuk?

Ini adalah pertanyaan terbuka besar lainnya. Kami ingin memahami asal muasal magnetisme di alam semesta. Namun pertanyaan rumit yang benar-benar relevan adalah: Bagaimana kita memiliki medan magnet berskala besar, koheren, dan terorganisasi ini? Bagaimana mungkin, mungkin dalam proses pembentukan galaksi, gerakan gas mampu memperkuat dan mendistribusikan medan magnet hingga memiliki struktur yang kita amati saat ini? Dan salah satu hal yang sangat membantu dalam mencoba menjawab pertanyaan ini adalah pengamatan terhadap struktur medan magnet di galaksi lain juga.

Apakah Anda melihat struktur medan magnet yang berbeda pada berbagai jenis galaksi?

Ya, dan kami masih mencoba untuk memahami gambaran lengkapnya. Salah satu pengamatan yang sangat menarik yang kami temukan dipublikasikan baru-baru ini adalah polarisasi cahaya inframerah jauh dari galaksi Antena. Ini adalah sepasang galaksi yang bergabung, dan kami mengamati bahwa di wilayah interaksi antara keduanya terdapat struktur medan magnet yang sangat koheren yang disimpulkan dari polarisasi debu, yang menarik karena berbagai alasan. Kami benar-benar berada di awal pemahaman hal-hal ini.

Dapatkah mempelajari medan magnet galaksi memberi tahu kita sesuatu tentang asal usulnya?

Kita ingin tahu apa yang menyebabkan medan magnet “benih” yang diperkuat selama pembentukan galaksi. Mungkin saja medan itu bersifat primordial, artinya medan itu berasal selama kelahiran alam semesta. Namun, menurut saya, pengukuran kita terhadap medan magnet modern di galaksi itu sendiri tidak akan memberi tahu kita dari mana asal medan benih awal itu. Itu memberi tahu Anda bahwa ada beberapa medan benih yang lemah, tetapi itu saja.

Mengapa Anda tertarik pada medan magnet galaksi? Masalah ini tampaknya sangat spesifik.

Saya menyukai masalah yang memiliki pertanyaan besar, menarik, dan terbuka. Dan yang juga saya sukai dari bidang saya adalah kita dapat mengatasi masalah ini di mana bukan hanya kita tidak tahu jawabannya, kita terkadang tidak tahu cara terbaik untuk mengajukan pertanyaan. Sering kali kita bertanya: Bagaimana kita mendekati ini? Di mana informasi dalam pelacak astrofisika ini yang memungkinkan kita mengajukan pertanyaan yang ingin kita ajukan? Jadi kita bisa sedikit kreatif.

Kapan Anda pertama kali tertarik mempelajarinya?

Saya tidak berpikir hal itu berasal dari kebutuhan yang mendalam dan seumur hidup untuk mempelajari magnetisme, tetapi hal itu menarik perhatian saya di sekolah pascasarjana karena bidang astrofisika kurang dipahami dan dihindari karena kompleksitasnya.

Untuk astrofisika secara umum, saya melakukan pengalaman penelitian National Science Foundation untuk mahasiswa sarjana di Arecibo di Puerto Rico pada musim panas sebelum tahun terakhir saya, dan itu luar biasa. Saat itulah saya menyadari bahwa saya ingin bekerja di ISM, ketika saya benar-benar menghargai apa itu ISM. Itu adalah pengalaman pertama saya dengan penelitian penuh waktu, dan itu di fasilitas yang luar biasa ini—baik karena teleskopnya luar biasa dan karena Anda tinggal di sana di kabin-kabin kecil ini. Kabin tempat Jodie Foster berada, dalam film Kontakdi situlah tempat tidur susun saya berada.

Apakah ada momen sebelumnya di mana Anda menyadari bahwa Anda ingin menjadi seorang ilmuwan?

Sejujurnya, saya tidak selalu ingin menjadi ilmuwan. Saat masuk kuliah, saya berpikir, mungkin saya akan mengambil jurusan ganda, yaitu biologi dan bahasa Inggris. Saya sangat menyukai biologi, dan saya selalu suka menulis, jadi saya pikir mungkin saya akan menjadi penulis.

Saya selalu sangat tertarik pada segala hal. Sudah menjadi hal yang umum bagi para astronom untuk berkata, “Oh, sejak saya masih kecil, saya sangat mencintai luar angkasa, dan saya tahu itulah yang ingin saya lakukan saat dewasa nanti.” Dan saya benar-benar mencintai luar angkasa saat masih kecil, tetapi saya juga mencintai batu, dinosaurus, dan kadal. Salamander khususnya. Kalau boleh jujur, semuanya berawal dari mencari salamander di bawah batu bersama saudara perempuan saya di halaman belakang rumah di Virginia. Itu hanya rasa ingin tahu tentang alam dan kecintaan untuk belajar, dan itulah yang harus Anda lakukan sebagai seorang ilmuwan.

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Quantasebuah publikasi independen yang diterbitkan oleh Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren dalam matematika serta ilmu fisika dan ilmu hayati.