KOSMOLOGI ILMIAH DEWASA INI ‎
GALAKSI BIMA SAKTI

KOSMOLOGI ILMIAH DEWASA INI ‎

Seberapa jauh kosmologi dewasa ini berbeda dengan kosmologi Abad Pertengahan dari segi pertimbangan filosofis dan metafisik? Pengetahuan tentang alam semesta telah mengalami perkembangan yang luar biasa selama satu abad terakhir. Karya-karya seminal teoretis dan berbagai temuan penting telah menghasilkan teori-teori yang semakin hari semakin canggih (semisal, Relativitas, Big Bang, inflasi, waktu imajiner, energi gelap/dark energy, dan lain-lain) dan hasil-hasil serta kendala-kendala yang jauh lebih akurat.

Definisi kosmologis yang paling representatif pun telah dipertajam untuk menggambarkan peralihannya menuju suatu kajian keilmuan yang ketat. Definisi sederhana yang seringkali dikutip untuk menggambarkan ilmu ini adalah sebagai berikut: Kosmologi adalah kajian ilmiah mengenai keseluruhan alam semesta dan sifat-sifatnya dalam skala besar. Namun, akhir-akhir ini, disiplin ini begitu menekankan akurasi ilmiah. Kosmologi “berupaya menggunakan metode ilmiah untuk memahami asal-muasal, evolusi, dan nasib akhir seluruh semesta. Seperti halnya bidang ilmu pengetahuan lain, kosmologi melibatkan pembentukan teori-teori atau hipotesis-hipotesis tentang alam semesta yang dapat menghasilkan prediksi spesifik mengenai fenomena yang dapat diuji dengan pengamatan-pengamatan.”

Gambaran kemajuan kosmologi yang telah dicapai umat manusia dalam satu abad atau beberapa dekade terakhir dapat dilihat dari perbandingan nilai-nilai berikut ini, seperti usia dan ukuran semesta sejak zaman dahulu hingga saat ini.

Perbedaaan serupa antara apa yang kita tahu seabad yang lalu dengan apa yang kita pelajari hari ini dikemukakan dengan baik oleh kosmolog Edward L Wright sebagai berikut: “Hanya ada satu fakta (kosmologis) yang diketahui pada 1917, yaitu bahwa langit gelap di malam hari-dan Einstein mengabaikannya.”

Aspek pengetahuan kosmos mutakhir yang berhasil dikembangkan manusia dan paling mencengangkan adalah skala bagian-bagian alam semesta: mulai dari bumi, tata surya, Galaksi Bima Sakti, kelompok galaksi-galaksi lokal, kluster-kluster serta superkluster-superkluster galaksi, dan alam semesta secara keseluruhan. Jika bumi diibaratkan sebuah bola kecil yang berdiameter 1 centimeter, maka bulan akan mengorbit kurang lebih sejauh 1 meter, sedangkan matahari akan berdiameter beberapa meter dan bersinar dari jarak 100 meter. Galaksi Bima Sakti kemudian berdiameter seribu miliar kilometer dengan alam semesta berdiameter sekitar seratus ribu kali lebih besar. Fakta lain yang berhasil ditemukan dan tak kalah menakjubkan adalah mengenai skala waktu (atau garis waktu/kronologi) keberadaan kita dibandingkan dengan tata surya, Galaksi kita, dan alam semesta. Jika kemunculan manusia sebagai sebuah spesies yang cerdas telah terjadi 24 jam lalu (mewakili ratusan ribu tahun), maka bumi dan tata surya seharusnya telah terbentuk beberapa puluh tahun sebelumnya, sedangkan Galaksi Bima Sakti seharusnya telah ada selama kurang dari ratusan tahun, dan alam semesta telah diciptakan sekitar 150 tahun yang lalu. Dengan demikian, manusia sangatlah kecil dan baru saja muncul di alam semesta ini.

Kosmologi dewasa ini mencoba menjawab pertanyaan-pertanyaan berikut setepat mungkin:

  • Seberapa besar alam semesta dan seberapa jauh benda-benda di dalamnya terpisah satu sama lain? (‘struktur skala besar’ alam semesta.)
  • Seperti apa bentuk (topologi, yaitu geometri) alam semesta?
  • Seperti apa isi alam semesta?
  • Apakah alam semesta berubah dan bagaimana caranya?
  • Berapa umur alam semesta?
  • Bagaimana nasib akhir alam semesta?
  • Adakah alam-alam semesta yang lain?

Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut, kosmologi dewasa ini mendasarkan investigasinya pada dua pilar penting berikut ini:

  1. Teon Relativitas Umum Einstein (sebuah teori gravitasi geometri yang merupakan satu-satunya teori yang tepat untuk diterapkan pada skala-skala besar) dengan beberapa asumsi dasar seperti Prinsip Kosmologis (bahwa alam semesta secara global adalah seragam dan isotropik).
  2. Pengamatan, yang telah semakin kaya dan beragam melampaui jenis- jenis pengamatan yang dilakukan pada abad-abad lampau, yakni sejak ditemukannya teori ekspansi alam semesta, ditemukannya latar belakang radiasi gelombang mikrokosmik (sisa energi awal penciptaan/pencurahan radiasi), dan pengukuran komposisi berbagai unsur utama di alam semesta (hidrogen, deuterium, helium, dan lithium).

Baiklah sekarang, meskipun ringkasan atau penjelasan singkat mengenai metode-metode yang disebutkan dalam paragraf sebelumnya akan menghabiskan begitu banyak halaman, saya tetap akan memberi rangkuman singkat mengenai penemuan-penemuan yang luar biasa penting dan secara drastis akan mengubah pandangan dan pemahaman kita terhadap alam semesta. Ambil contoh, misalnya ekspansi alam semesta. Kebanyakan orang pernah mendengar teori ini, tetapi mereka cenderung membayangkan bahwa yang meluas adalah objek-objek yang terbang di angkasa, padahal yang dimaksud dalam teori tersebut adalah perenggangan ruang alam semesta. Analogi terbaik untuk menjelaskan hal ini adalah sebuah balon yang ditiupkan udara ke dalamnya.

Dalam kasus ini, alam semesta kita (yang memiliki wujud tiga-dimensi) diilustrasikan oleh gambar dua dimensi permukaan balon. Saya suka mengajukan pertanyaan berikut ini kepada para mahasiswa untuk membantu pemahaman mereka seputar ekspansi alam semesta: ‘Apa yang berada di dalam (dan di luar) balon?” Jawabannya, tentu saja, adalah: waktu! Yang ada di dalam adalah masa lalu, dan yang ada di luar adalah masa depan. Alam semesta tidak meluas di dalam ruang-ruang yang sudah ada, tetapi meluas di dalam ruang dan waktunya sendiri. Siapa pun bisa memeriksa bahwa sebenarnya kecepatan benda-benda di atas permukaan (alam semesta) ketika ‘terbang’ dari satu titik ke titik yang lain adalah sebanding dengan jarak benda-benda tersebut (satu sama lain) pada saat tertentu. Ini dikenal dengan hukum Hubble. Dari analogi balon, dapat juga dipahami bahwa tidak ada pusat alam semesta karena semua titik di permukaannya setara satu sama lain, tidak ada yang istimewa dibandingkan lainnya, dan masing-masing bagian akan melihat bagian lain menjauh darinya.

Laju ekspansi alam semesta telah lama diakui sebagai sebuah petunjuk kunci dari model kosmologi apa pun. Seorang kosmolog Amerika, Alan Sandage, sering menggambarkan kosmologi sebagai ‘sebuah pencarian terhadap dua petunjuk’, yakni laju ekspansi dan laju percepatan/(perubahan kecepatan). Selama beberapa dekade terakhir, nilai dari kuantitas ini selalu diperdebatkan tanpa henti. Beberapa ilmuwan memperkirakan nilai tersebut berada di antara 50 dan 100 km/s/Mpc. Baru-baru ini, nilai tersebut ditetapkan pada angka 71 km/s/Mpc dengan derajat ketidakpastian sekitar 5 persen -temuan ini merupakan isyarat lain terhadap kemajuan luar biasa yang telah dicapai kosmologi observasional beberapa tahun terakhir.

Hal yang sama juga terjadi pada latar belakang radiasi gelombang mikrokosmik yang ditemukan pada 1964 oleh Arno Penzias dan Robert Wilson dalam sebuah peristiwa yang benar-benar merupakan sebuah kebetulan. Meskipun secara teoretis temuan itu kurang lebih pernah diprediksi kira-kira sekitar 15 tahun sebelumnya, satu-satunya hal yang diketahui selama 30 tahun ke depan adalah bahwa radiasi tersebut memiliki suhu karakteristik sekitar 2,7 Kelvin. Pada awal 1990-an (melalui satelit COBE) kemudian pada 2003, ketika satelit WMAP menghasilkan peta radiasi kosmik baru dan informasi rinci yang dianggap (oleh jurnal otoritatif Science) sebagai ‘terobosan terbesar tahun tersebut’, perbedaan suhu sebesar 1/100.000 di antara bagian-bagian yang berbeda di langit sudah dapat ditentukan. Temuan ini sangatlah signifikan karena memungkinkan para ilmuwan menggambarkan ‘fluktuasi’ ruang-waktu awal alam semesta yang merupakan aspek penting di balik kemunculan struktur-struktur (galaksi-galaksi dan kluster-kluster) di dalam dimensi waktu. Selain itu, analisis rinci terhadap data tersebut memungkinkan terjadinya lompatan kuantum dalam penentuan usia semesta, karena 15 miliar tahun (± 1 atau 2 tahun) yang diyakini sebagai usia semesta telah diperkuat akurasinya oleh WMAP menjadi 13,7 miliar tahun (± 0,2 miliar tahun).

Sejalan dengan kemajuan yang luar biasa ini, berbagai pendekatan lain dalam kosmologi observasional juga menghasilkan temuan yang sama -jika tidak lebih- menakjubkan. Pada 1998, sebuah temuan lain yang dinyatakan sebagai ‘penemuan ilmiah terbesar tahun tersebut’, jika bukan dekade tersebut, adalah kesimpulan bahwa alam semesta mempercepat laju ekspansinya -padahal sudah lama diyakini bahwa laju alam semesta melambat- karena pengaruh gravitasinya sendiri sehingga laju pengembangannya melambat menuju keadaan diam. Terobosan penting tersebut diperoleh melalui penggunaan supernova Tipe Ia (dengan luminositas/kecerlangan yang diketahui) sebagai indikator jarak bagi berbagai galaksi yang jauh di alam semesta -jika kita tahu luminositas mutlak suatu sumber cahaya tertentu (misalnya suatu galaksi), maka dengan menghitung luminositas semunya, jarak galaksi tersebut bisa diketahui.

Ketika teori ini dibenarkan, kita bisa menyimpulkan dengan cepat bahwa pasti ada beberapa ‘gaya’ yang terus menerus merenggangkan struktur semesta. Akan tetapi, karena tidak ada gagasan sedikit pun mengenai asal-usul gaya tersebut, ia seringkali disebut sebagai ‘energi gelap’ (dark energy). Sebutan ini tidak bisa diserupakan dengan ‘materi gelap’ (dark matter) yang keberadaannya telah diyakini oleh para astronom tanpa pengetahuan apa pun mengenai sifatnya. Materi gelap adalah sebuah benda asing yang memiliki massa, terpengaruh gravitasi, dan tidak memiliki interaksi elektromagnetik sehingga tidak memancarkan atau menyerap cahaya apa pun -ia benar-benar gelap dan selamanya akan tetap gelap. Para ilmuwan dewasa ini memperkirakan bahwa jumlahnya sekitar 25 persen dari total energi massa alam semesta dibandingkan sekitar 4 persen dari materi “nyata”/normal (dari hidrogen hingga uranium, termasuk karbon, oksigen, besi, dan segala sesuatu yang dapat ditemukan di alam semesta). Kemudian, apakah sisa energi massa alam semesta yang jumlahnya sekitar 70 persen itu merupakan energi gelap yang baru diketahui beberapa tahun terakhir? Apakah kita memiliki petunjuk/dugaan terhadap ‘materi gelap’ dan ‘energi gelap’ ini? Sebenarnya ada sedikit petunjuk: MACHOS (massive compact halo objects) dan WIMPS (weakly interacting massive particles) (dan proposisi-proposisi lain yang tidak akan kita jelaskan di sini) sebagai analogi untuk menggambakan materi gelap; ‘inti’, ‘materi gelap yang meluruh’, dan ‘konstanta kosmologi’ (yang pernah diperkenalkan oleh Einstein, tetapi kemudian segera dianggap sebagai ‘kesalahan terbesar’nya) sebagai analogi bagi energi gelap. Kami tidak akan membahas pertanyaan-pertanyaan tersebut karena takut menyimpang terlalu jauh dari tujuan kami. Kami hanya ingin menunjukkan indikasi seberapa banyak kemajuan kosmologi yang telah dicapai pada satu atau dua dekade lalu serta menyajikan gambaran umum apa saja yang telah kita pelajari sejauh ini.

Saya akan meringkas temuan-temuan utama kosmologi pada tahun-tahun terakhir ini dalam beberapa poin berikut:

  1. Alam semesta telah meluas dan tampaknya (kini hampir dipastikan) akan mengalami percepatan (dalam perluasannya) karena adanya beberapa ‘energi gelap’ yang membentangkan ruang-waktu seolah-olah ada beberapa aksi tolak-menolak internal yang memisahkan struktur-struktur alam semesta. Bertentangan dengan Big Crunch atau Standstill yang menurut teori sebelumnya diperkirakan terjadi jauh di masa depan (dengan asumsi bahwa gravitasi internal alam semesta cukup besar untuk menghentikan dan membalikkan, atau setidaknya mengimbangi perluasan tersebut), percepatan yang dipercaya saat ini tampaknya meyakinkan semua orang bahwa alam semesta kita ditakdirkan mengalami perluasan tak terbatas dan ‘terbuka’, yang akan mengarah kepada kegelapan, Big Chill yang amat dingin.
  2. Jauh dari sifat statis atau abadi, alam semesta mulai lahir dan berkembang pada momen penciptaannya (atau kemunculannya) dari sebuah ‘singularitas’ yang merupakan sebuah titik dengan tingkat kerapatan, energi, dan suhu yang tak terbatas (yang saat ini dikenal luas sebagai teori Big Bang). Saat meluas, alam semesta menghasilkan partikel-partikel, kemudian inti, atom-atom dan struktur-struktur (bintang-bintang, galaksi-galaksi, tata surya, dan lain-lain). Rincian ekspansi (termasuk zaman inflasi dan karakteristik-karakteristiknya) juga telah ditemukan oleh para teoretikus-teoretikus cerdik.
  3. Usia alam semesta (sejak penciptaan/kemunculannya) saat ini dapat ditentukan secara akurat. Usia tersebut juga secara otomatis memunculkan ukuran semesta yang dapat diamati (kecepatan cahaya dikalikan usia), tetapi bukan ukuran ukuran seluruh alam semesta. Sebagian ukuran tersebut bisa dilihat ketika alam semesta meluas, dan sebagian yang lain tidak dapat dilihat.
  4. Hanya 4 persen dari keseluruhan alam semesta yang terbuat dari materi ‘biasa’ dan bisa kita ketahui. Sementara itu, sebanyak 25 persen (dari isi materi-energi) berbentuk’materi gelap’, dan 70 persen berbentuk ‘energi gelap’ yang harus kita akui sebagai ciri penting dari alam semesta kita yang aneh ini.

Leave a Reply

Close Menu