Tim JAXA Memotret Sinar Gamma dari Pusat Galaksi Secara Langsung dengan Kamera Pelacak Elektron

Penerbangan balon mengungkap sinyal 7,9 sigma

Teleskop yang dibawa terbang di atas Australia pada 2018 menghasilkan citra langsung emisi sinar gamma dari pusat Bima Sakti, dengan mendeteksi sinyal 7,9 deviasi standar di atas radiasi latar pada rentang energi 150 hingga 600 keV. Hasil ini menunjukkan metode pencitraan baru untuk rentang energi yang selama ini sulit diamati secara astronomis dengan presisi.

JAXA, Universitas Kitasato, Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Maju Jepang, serta Universitas Kyoto mengumumkan temuan tersebut pada 6 Oktober 2026. Pengumuman penelitian bersama mereka menyebut pekerjaan ini sebagai penggunaan pertama pencitraan linear berdasarkan prinsip optika geometris untuk memperoleh spektrum presisi emisi anihilasi positron dari pusat Galaksi pada energi tersebut.

Perbedaan ini penting. Ini bukan deteksi pertama sinar gamma atau anihilasi antimateri di wilayah itu. Temuan ini menunjukkan cara berbeda untuk menentukan posisi sinar gamma yang datang pada suatu citra, sehingga pengukuran kecerahan dan energi tidak terlalu bergantung pada asumsi tentang susunan sumber-sumber langit.

Penelitian ini juga menghasilkan estimasi emisi terkait positronium yang kira-kira dua kali pengukuran INTEGRAL sebelumnya. Namun, ketidakpastiannya cukup besar, dan makalah tersebut menyebut kedua pengukuran konsisten secara statistik. Hasil ini tidak membuktikan bahwa pusat Galaksi menjadi lebih terang atau bahwa materi gelap telah terdeteksi.

Tim ini mencakup Profesor Toru Tanimori dari Universitas Kitasato, profesor emeritus Universitas Kyoto; peneliti Tomonori Ikeda dari Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Maju; Profesor Madya Atsushi Takada dari Universitas Kyoto; serta Asisten Profesor Yoshitaka Mizumura dari Institut Ilmu Antariksa dan Astronautika JAXA. Eksperimen berikutnya yang mereka usulkan, SMILE-3, sedang dipersiapkan sebagai kandidat untuk kesempatan penerbangan balon JAXA di Australia pada 2028.

Perubahan yang dibawa kamera ini

Instrumen ini adalah kamera Compton pelacak elektron, atau ETCC. Alih-alih menangkap sinar gamma dengan lensa optik konvensional, kamera ini merekonstruksi arah kedatangannya berdasarkan interaksi di dalam detektor.

Saat sinar gamma mengalami hamburan Compton, sebagian energinya berpindah ke elektron dan sinar tersebut bergerak ke arah berbeda. Kamera Compton konvensional mengukur foton yang terhambur, tetapi tidak mengukur arah elektron rekoil secara cukup lengkap. Karena itu, satu peristiwa hanya menunjukkan lingkaran kemungkinan lokasi di langit, bukan satu arah yang terlokalisasi.

ETCC merekam lintasan elektron, serta energi dan posisi foton yang terhambur. Secara bersama-sama, pengukuran ini memungkinkan arah datang sinar direkonstruksi dan ditetapkan pada posisi yang terlokalisasi di citra, dengan mempertimbangkan ketidakpastian sudut instrumen.

Hal ini memungkinkan pencitraan linear. Sederhananya, kontribusi terukur dari satu sumber seharusnya tetap konsisten, baik sumber itu diamati sendiri maupun bersama sumber lain. Citra yang dihasilkan kemudian dapat digunakan untuk mengukur kecerahan secara kuantitatif, alih-alih terutama mengandalkan rekonstruksi rumit dari lingkaran-lingkaran yang saling bertumpang tindih.

Perbandingan dengan astronomi optik merujuk pada prinsip pencitraan ini, bukan perangkat keras atau ketajaman gambar yang dihasilkan. ETCC tidak memfokuskan sinar gamma melalui lensa kaca, dan citra pusat Galaksi yang dihasilkannya masih memiliki resolusi luas. Keunggulannya adalah hubungan yang lebih langsung dan terukur antara peristiwa yang terdeteksi dan posisi di langit.

Lima jam mengamati pusat Galaksi

Balon SMILE-2+ diluncurkan dari Alice Springs di Australia tengah pada 7 April 2018 pukul 06:24 Waktu Standar Tengah Australia. Penerbangannya berlangsung sekitar satu hari, tetapi waktu pengamatan efektif untuk pusat Galaksi jauh lebih singkat.

Menurut naskah penelitian, pusat Galaksi memasuki bidang pandang yang dipilih sekitar pukul 01:00 pada 8 April dan dapat diamati selama kira-kira lima jam. Citra yang digunakan memanfaatkan data dari periode ketinggian stabil, ketika balon mengapung sekitar 39,6 kilometer.

Bidang pandang teleskop ini sebesar 3,1 steradian. Steradian mengukur luas sudut, bukan permukaan datar. Dibandingkan dengan seluruh langit yang luasnya sekitar 12,6 steradian, instrumen ini dapat mencakup kira-kira seperempat langit pada satu waktu, meskipun analisis membatasi arah pengamatan untuk mengurangi kontaminasi atmosfer.

Kronologi ini membedakan penerbangan awal dari analisis ilmiah yang dilakukan kemudian:

• 7 April 2018: SMILE-2+ diluncurkan dari Alice Springs.
• 8 April 2018: Pusat Galaksi dapat diamati selama kira-kira lima jam.
• 2022: Tim menerbitkan laporan awal deteksi pusat Galaksi di Astrophysical Journal.
• 11 Agustus 2026: Studi pencitraan dan spektroskopi baru diterbitkan di Physical Review D.
• 6 Oktober 2026: Empat institusi Jepang mengumumkan hasil tersebut bersama-sama.
• 2028: JAXA merencanakan kesempatan penerbangan balon di Australia, dengan SMILE-3 sebagai salah satu kandidat.

Deteksi kuat bukan peta terperinci

Makalah Physical Review D, yang diterbitkan sebagai volume 114, artikel 043026, melaporkan kelebihan sinyal 7,9 sigma pada citra pusat Galaksi. Sigma menyatakan besarnya sinyal relatif terhadap fluktuasi statistik yang diperkirakan dari radiasi latar.

Hasil itu merupakan bukti kuat adanya emisi pada citra berdasarkan analisis yang digunakan. Namun, hasil tersebut tidak dengan sendirinya mengidentifikasi objek penghasil radiasi atau menentukan apakah emisi terkonsentrasi pada sumber kecil atau tersebar di wilayah yang luas.

Para penulis menguji tiga deskripsi emisi: satu sumber di pusat Galaksi, struktur dengan beberapa komponen, dan sebaran simetris yang halus, yang dijelaskan dengan Gaussian dua dimensi. Struktur dengan beberapa komponen mencakup tonjolan sempit, tonjolan luas, piringan redup, dan sumber pusat.

Ikeda dan rekan-rekan penulisnya, para peneliti yang melakukan studi ini, menyatakan dalam abstrak makalah bahwa pengamatan tersebut tidak dapat membedakan secara meyakinkan di antara ketiga deskripsi itu:

Ketiganya dinilai konsisten secara statistik dengan data.

Pencocokan Gaussian menghasilkan lebar 26 ± 12 derajat, setara dengan lebar penuh pada setengah maksimum sebesar 61 ± 28 derajat. Namun, uji statistik tidak membuktikan bahwa sumber yang meluas diperlukan untuk menjelaskan data. Karena itu, tim berhasil mendeteksi wilayah tersebut dengan andal, tetapi belum dapat memastikan struktur fisiknya.

Mengapa fluks dua kali lipat bukan berarti bertentangan

Estimasi terkait positronium adalah (3.2 ± 1.4) × 10 pangkat minus 2 foton per sentimeter persegi per detik. Positronium adalah sistem terikat sementara yang terdiri atas elektron dan pasangan antimaterinya, positron. Anihilasinya menghasilkan sinar gamma, termasuk kontinum yang berkontribusi dalam rentang energi yang diamati.

Makalah tersebut membandingkan estimasi ini dengan nilai INTEGRAL sebesar (1.4 ± 0.3) × 10 pangkat minus 2 foton per sentimeter persegi per detik. Pembagian nilai tengahnya, 3.2 dengan 1.4, menghasilkan sekitar 2.3, sesuai dengan keterangan dalam pengumuman bahwa hasilnya kira-kira dua kali lebih tinggi.

Nilai tengahnya berbeda, tetapi ketidakpastian harus tetap diperhitungkan dalam perbandingan. Para penulis menyebut kedua pengukuran konsisten dalam rentang satu sigma. Karena itu, hasil baru ini sebaiknya dipahami sebagai estimasi yang lebih tinggi dan masih memerlukan pengukuran lebih baik, bukan sebagai pertentangan yang terkonfirmasi dengan INTEGRAL.

Nilai positronium juga tidak diperoleh hanya dengan menghitung foton yang secara unik teridentifikasi berasal dari positronium. Untuk model dengan beberapa komponen, total fluks terukur pada rentang 150 hingga 600 keV adalah (5.8 ± 1.2) × 10 pangkat minus 2 foton per sentimeter persegi per detik.

Para peneliti kemudian memperkirakan dan mengurangkan kontribusi Compton invers sebesar (2.6 ± 0.7) × 10 pangkat minus 2 dalam satuan yang sama. Emisi Compton invers terjadi ketika elektron berenergi tinggi memindahkan energi ke foton. Ketidakpastian pada kontribusi yang dimodelkan ini turut memengaruhi estimasi akhir positronium.

Pencitraan langsung tetap memerlukan koreksi latar

Pengukuran arah oleh kamera ini mengurangi ambiguitas, tetapi tidak menghilangkan semua kebutuhan akan model atau koreksi. Naskah tersebut secara eksplisit menyatakan bahwa jumlah peristiwa yang terbatas menghalangi rekonstruksi independen penuh atas sebaran emisi difus.

Sinar gamma atmosfer mendominasi latar pada rentang energi yang diamati. Peristiwa sinar kosmik dan kebetulan sinyal detektor yang tidak saling berkaitan juga berkontribusi. Bahkan di ketinggian balon, radiasi dari angkasa dapat terserap atau terhambur sebelum mencapai teleskop.

Para peneliti menyimulasikan efek atmosfer ini dan mengalibrasi normalisasi latar menggunakan periode ketika pusat Galaksi berada di luar bidang pandang. Mereka juga memperkirakan kontribusi dari sumber terang yang telah diketahui menggunakan katalog Swift dan INTEGRAL.

Pada rentang 450 hingga 600 keV, sekitar 92% peristiwa yang terdeteksi pada bin analisis pusat Galaksi diklasifikasikan sebagai latar. Makalah tersebut menyebut rasio sinyal terhadap derau sebesar 8.8% untuk rentang itu. Persentase ini menggambarkan komposisi peristiwa yang dipilih, bukan signifikansi 7,9 sigma dari deteksi pada citra.

Perbandingan dengan observatorium lain perlu dilakukan dengan cermat karena cakupan langit yang diukur tidak selalu sama dan metode pengurangan sumbernya juga berbeda. Analisis ETCC menggunakan wilayah pusat yang membentang sekitar 33 derajat ke setiap sisi pusat Galaksi, baik dalam bujur maupun lintang Galaksi.

Analisis COSI dan INTEGRAL yang dikutip menggunakan wilayah berbeda. Makalah tersebut menyesuaikan nilai intensitasnya untuk memperhitungkan perbedaan luas sudut, sembari mengingatkan bahwa perbandingan emisi difus tetap bersifat perkiraan karena juga bergantung pada sebaran radiasi yang diasumsikan.

Seberapa tajam citra baru ini?

ETCC menggunakan detektor gas dengan volume aktif 30 × 30 × 30 sentimeter untuk merekam lintasan elektron, yang dikelilingi 108 susunan sintilator untuk mendeteksi sinar gamma yang terhambur. Para peneliti juga menggunakan jaringan saraf konvolusional untuk meningkatkan rekonstruksi arah elektron rekoil.

Pada 511 keV, energi khas garis anihilasi elektron dan positron, radius setengah daya instrumen ini adalah 20 derajat. Artinya, setengah dari peristiwa yang direkonstruksi dari sumber titik berada dalam radius sudut 20 derajat.

Resolusi energinya pada 511 keV adalah 14%, yang dinyatakan sebagai lebar penuh pada setengah maksimum responsnya. Angka ini mengukur seberapa lebar sebaran peristiwa dari satu energi foton dalam spektrum yang direkam.

Spesifikasi ini menjelaskan mengapa pencitraan langsung dan identifikasi sumber secara presisi merupakan dua capaian yang berbeda. Kamera dapat menetapkan arah melalui respons pencitraan yang terdefinisi, tetapi resolusi sudutnya yang luas tidak dapat memisahkan secara andal objek-objek individual yang berdesakan di wilayah pusat Galaksi.

Karena itu, instrumen ini merupakan demonstrasi suatu metode, bukan solusi tuntas untuk memetakan struktur wilayah tersebut. Sinyal yang lebih kuat, waktu pengamatan yang lebih panjang, dan kinerja yang lebih baik akan membantu menentukan deskripsi spasial mana yang paling sesuai dengan langit.

Sumber antimateri belum teridentifikasi

Pusat Galaksi merupakan sumber menonjol garis anihilasi 511 keV, tetapi asal positron di sana masih belum diketahui. Naskah penelitian mencatat bahwa sebaran yang teramati tidak cocok dengan populasi astrofisika yang diketahui dan hanya sedikit berkorelasi dengan emisi pada panjang gelombang lain.

Sumber konvensional yang dibahas dalam makalah ini mencakup inti atom radioaktif yang dihasilkan bintang masif dan supernova. Bintang neutron dan lubang hitam juga menjadi kandidat karena interaksi foton berenergi tinggi di sekitar objek kompak dapat menghasilkan elektron dan positron.

Hipotesis lainnya mencakup anihilasi atau peluruhan materi gelap serta lubang hitam primordial bermassa rendah. Lubang hitam primordial terbentuk di alam semesta awal, bukan melalui keruntuhan bintang. Mekanisme produksi positron yang dibahas dalam makalah ini adalah radiasi Hawking.

Tak satu pun dari penjelasan tersebut dibuktikan oleh citra baru ini. Sebaran spasial yang belum terpecahkan, ketidakpastian fluks, serta pengurangan emisi lain yang dimodelkan membatasi kesimpulan tentang asalnya.

Kemajuan yang dicapai bersifat observasional: instrumen yang dapat mengukur arah dan energi sinar gamma dengan respons linear menyediakan cara lain untuk menguji berbagai penjelasan. Instrumen itu tidak mengubah sinyal yang belum terjelaskan menjadi bukti fisika eksotis.

SMILE-3 membidik pengukuran berikutnya

Takada memimpin persiapan SMILE-3, yang akan menggunakan ETCC dengan sensitivitas lebih baik. Pengumuman JAXA menyebutnya sebagai eksperimen kandidat untuk kesempatan penerbangan balon di Australia berikutnya, yang direncanakan pada 2028. Pengumuman itu tidak menyatakan bahwa eksperimen tersebut telah dipilih atau tanggal peluncurannya telah dipastikan.

Simulasi yang dibahas dalam materi penelitian menunjukkan bahwa peningkatan instrumen dapat menaikkan rasio sinyal terhadap derau pada rentang 450 hingga 600 keV dari 8.8% menjadi sekitar 32%. Angka itu kira-kira 3.6 kali rasio saat ini, berdasarkan perhitungan dari kedua nilai tersebut, tetapi masih berupa proyeksi, bukan hasil penerbangan yang telah dibuktikan.

Institusi-institusi tersebut juga menyebut pengamatan balon yang lebih lama dan kemungkinan pengamatan satelit sebagai cara untuk mengembangkan teknik ini. Di luar pusat Galaksi, target yang diusulkan mencakup sisa supernova, inti galaksi aktif, dan semburan sinar gamma.

Target-target ini menghubungkan metode pencitraan dengan pengukuran ilmiah yang spesifik: emisi radioaktif dapat melacak reaksi nuklir dan pembentukan unsur, sementara sinyal sinar gamma lainnya dapat mengungkap percepatan partikel berenergi tinggi. Namun, tugas terdekat lebih terbatas: meningkatkan instrumen dan mengumpulkan cukup data untuk mengukur kecerahan serta bentuk pusat Galaksi dengan lebih meyakinkan.

Poin Utama

• SMILE-2+ mendeteksi emisi dari pusat Galaksi pada rentang 150 hingga 600 keV dengan kelebihan sinyal 7,9 sigma pada citranya.
• Hasil ini menunjukkan pencitraan linear menggunakan kamera Compton pelacak elektron, bukan penemuan pertama sinar gamma dari wilayah tersebut.
• Estimasi fluks terkait positronium sekitar 2.3 kali nilai tengah INTEGRAL, tetapi makalah tersebut menyebut kedua pengukuran konsisten secara statistik.
• Tiga model spasial yang berbeda sesuai dengan data, sehingga struktur emisi secara terperinci masih belum terungkap.
• Pengamatan ini tidak membuktikan bahwa materi gelap atau lubang hitam primordial merupakan sumber positron.
• SMILE-3 sedang dipersiapkan sebagai kandidat untuk kesempatan penerbangan balon JAXA di Australia yang direncanakan pada 2028.