[비즈한국] Alam semesta, yang bermula dari peristiwa Big Bang 13,8 miliar tahun lalu, terus mengembang hingga saat ini. Berbagai bukti pengamatan yang independen menunjukkan bahwa ruang dan waktu di alam semesta memang sedang memuai. Setidaknya, fakta besar bahwa "alam semesta sedang mengembang" adalah kebenaran yang jelas dan tidak disangkal oleh astronom modern mana pun. Namun, jika kita menggali lebih dalam, pendapat para astronom tentang model pengembangan alam semesta sedikit berbeda. Isu utamanya adalah pertanyaan tentang laju pengembangan alam semesta: "Seberapa cepat tepatnya alam semesta kita mengembang?"
Teka-teki yang telah lama menghantui para astronom ini belum dapat dijelaskan secara tuntas. Namun, teka-teki ini justru bisa menjadi petunjuk yang menunjukkan kemungkinan baru yang tidak terduga mengenai alam semesta kita.
Secara tradisional, pengembangan alam semesta diamati melalui fenomena pergeseran galaksi, di mana jarak ke galaksi-galaksi di sekitar kita terus menjauh. Seiring dengan ruang dan waktu yang mengembang secara seragam, galaksi yang letaknya lebih jauh teramati menjauh dengan kecepatan yang lebih tinggi. Hubungan antara jarak ke galaksi dan kecepatan geraknya menjauh ini dikenal sebagai Hukum Hubble-Lemaître. Ini adalah bukti pengamatan paling langsung yang menunjukkan pengembangan alam semesta.
Di sisi lain, ada juga cara untuk membuktikan pengembangan alam semesta melalui sisa panas dari peristiwa Big Bang, yaitu saat alam semesta yang dulunya memiliki kepadatan dan suhu sangat tinggi perlahan mendingin secara seragam. Sisa panas dari Big Bang ini teramati dalam bentuk derau radio samar yang memenuhi seluruh alam semesta saat ini. Fenomena ini disebut radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (Cosmic Microwave Background/CMB).
Masalahnya, dua indikator utama laju pengembangan alam semesta—fenomena pergeseran galaksi dan radiasi latar belakang kosmik—menghasilkan nilai pengukuran yang sedikit berbeda. Laju pengembangan alam semesta yang diperkirakan melalui radiasi latar belakang kosmik adalah 67 km/s/Mpc. Dalam satuan yang lebih familier, ini berarti alam semesta pada jarak 1 megaparsec (sekitar 3 juta tahun cahaya) menjauh dengan kecepatan 244.000 km/jam.
Namun, ketika laju pengembangan diukur melalui fenomena pergeseran galaksi, didapatkan nilai yang sedikit berbeda. Baru-baru ini, melalui pengamatan supernova tipe Ia yang meledak sangat terang, para astronom mengukur jarak dan kecepatan gerak galaksi hingga sejauh lebih dari 10 miliar tahun cahaya. Laju pengembangan yang diperkirakan dengan cara ini adalah 73 km/s/Mpc. Jika dikonversi, ini berarti alam semesta pada jarak 1 megaparsec menjauh dengan kecepatan 264.000 km/jam.
Menariknya, pengembangan alam semesta yang diperkirakan melalui fenomena pergerakan galaksi (melalui pengamatan supernova) terukur sekitar 10% lebih cepat daripada yang diperkirakan melalui radiasi latar belakang kosmik saja. Jelas bahwa kita melihat alam semesta yang sama namun dengan metode yang berbeda, dan tergantung pada metode yang digunakan, alam semesta tampak sedikit berbeda. Misteri astronomi modern yang membingungkan ini disebut dengan "Ketegangan Hubble" (Hubble Tension).
Lantas, mengapa pengembangan alam semesta yang diperkirakan dari gerakan galaksi-galaksi jauh di sekitar kita tampak sedikit lebih cepat dibandingkan dengan yang diperkirakan dari radiasi latar belakang kosmik?
Pergerakan galaksi yang memenuhi alam semesta sebenarnya terdiri dari faktor-faktor yang sangat kompleks. Selain efek menjauhnya jarak antar galaksi akibat pengembangan ruang-waktu, ada pula efek tarik-menarik antar galaksi yang berdekatan akibat gaya gravitasi. Oleh karena itu, untuk menentukan laju pengembangan alam semesta melalui pergerakan galaksi, kita harus memisahkan efek tarikan gravitasi antar galaksi tersebut. Pergerakan galaksi yang saling tarik-menarik akibat gravitasi ini disebut sebagai "arus curah" (bulk flow). Interaksi antar galaksi melalui gravitasi ini dapat menjadi faktor pengganggu yang mempersulit identifikasi efek pengembangan ruang-waktu murni hanya melalui pengamatan galaksi.
Setelah mengamati arah dan kecepatan pergerakan galaksi di sekitar, jika kita mengurangi efek tarikan gravitasi dari pergerakan total tersebut, kita dapat memisahkan efek gravitasi secara mandiri. Baru-baru ini, para astronom melakukan pengamatan untuk memahami arus curah galaksi yang bergerak murni akibat gravitasi di wilayah yang sangat luas. Proyek ini disebut Cosmicflows, yang memetakan posisi dan pergerakan 180.000 galaksi dalam jarak 100 juta tahun cahaya dari Bima Sakti untuk menganalisis arus curah murni setelah mengeluarkan efek pengembangan alam semesta.
Namun, para astronom yang menganalisis data pengamatan Cosmicflows menemukan hasil yang tak terduga. Sebagian besar galaksi dalam jarak sekitar 80 juta tahun cahaya menunjukkan pergerakan rata-rata yang konsisten ke arah tertentu di dekat rasi bintang Centaurus. Seolah-olah ada massa raksasa di balik arah tersebut yang secara konsisten menarik galaksi-galaksi itu. Hal ini membuka kemungkinan bahwa galaksi-galaksi mungkin ditarik sedikit lebih cepat ke luar karena pengaruh gravitasi dari wilayah yang memiliki kepadatan lebih tinggi daripada area di sekitar kita.
Berdasarkan arus curah galaksi ini, beberapa astronom telah lama menduga bahwa galaksi kita mungkin berada di dekat wilayah kosong dengan kepadatan galaksi yang relatif lebih rendah daripada sekitarnya, yaitu "void" (ruang hampa) raksasa. Galaksi-galaksi yang memenuhi alam semesta tidak tersebar secara acak. Wilayah dengan kepadatan lebih tinggi memiliki gravitasi yang lebih kuat sehingga menarik lebih banyak materi, sementara wilayah dengan kepadatan rendah terus kehilangan materi ke segala arah, meninggalkan wilayah kosong yang disebut void. Oleh karena itu, galaksi-galaksi membentuk struktur skala besar alam semesta yang menyerupai jaring yang rumit. Jika galaksi kita benar-benar berada di dekat "Local Void" yang sangat besar, maka ini menjelaskan mengapa galaksi-galaksi di sekitar kita tampak menjauh ke segala arah lebih cepat daripada estimasi berdasarkan radiasi latar belakang kosmik.
Di sekitar Local Void, terdapat wilayah di mana galaksi berkumpul dengan kepadatan lebih tinggi. Oleh karena itu, galaksi di sekitar kita terus ditarik ke arah wilayah dengan kepadatan tinggi di segala sisi. Dari perspektif kita yang berada di dekat pusat Local Void, galaksi di sekitar kita seolah-olah teramati menjauh ke segala arah dengan lebih cepat!
Faktanya, dalam analisis kali ini, ketika pergerakan galaksi yang lebih cepat yang dikonfirmasi oleh proyek Cosmicflows diterapkan kembali ke estimasi laju pengembangan alam semesta melalui pengamatan supernova, ternyata "Ketegangan Hubble" dapat menghilang dengan cukup rapi. Jika kita mengoreksi pergerakan arus curah di mana galaksi di sekitar kita secara konsisten tertarik ke satu arah, laju pengembangan alam semesta yang diperkirakan dari pengamatan supernova turun dari 73 km/s/Mpc menjadi 69 km/s/Mpc. Ini adalah nilai yang hampir sama dengan laju pengembangan alam semesta yang diperkirakan hanya dari radiasi latar belakang kosmik!
Jadi, apakah benar galaksi kita berada di dekat void raksasa yang kepadatan materinya jauh lebih rendah dibandingkan rata-rata alam semesta? Untuk menjelaskan misteri Ketegangan Hubble, galaksi kita harus berada di dekat void yang 20% lebih kosong dibandingkan rata-rata alam semesta. Namun, ada masalahnya. Dalam model standar evolusi alam semesta ΛCDM yang mengasumsikan adanya materi gelap dan energi gelap, sangat sulit untuk menciptakan void yang begitu besar dan kosong.
Dalam model ΛCDM, distribusi kepadatan alam semesta secara keseluruhan seharusnya hampir seragam. Memang benar, wilayah yang awalnya padat menjadi semakin padat dan wilayah yang awalnya jarang menjadi semakin jarang, membentuk struktur kerangka alam semesta seperti jaring, namun model ini tidak dapat mereproduksi void yang sangat besar hingga skala diameter 100 juta tahun cahaya. Oleh karena itu, banyak astronom masih meragukan upaya untuk menafsirkan Ketegangan Hubble hanya sebagai semacam fenomena ilusi optik karena keberadaan kita di dekat void raksasa.
Namun, dalam makalah kali ini, para astronom mengajukan satu usulan yang lebih berani. Mereka menyatakan bahwa jika kita menerapkan model alternatif di mana gravitasi dapat bekerja dengan cara yang sedikit berbeda—bukan model ΛCDM yang mengasumsikan materi gelap dan energi gelap—misteri Ketegangan Hubble dapat dijelaskan.
Para astronom menduga adanya zat misterius yang disebut "materi gelap" untuk menjelaskan pergerakan bintang-bintang di luar galaksi yang terlalu cepat, yang tidak memancarkan cahaya tetapi berkontribusi terhadap gravitasi. Keberadaan materi gelap telah diterima sebagai fakta melalui berbagai pengamatan seperti lensa gravitasi, selain pergerakan bintang di dalam galaksi. Materi gelap adalah konsep misterius yang tidak berinteraksi dengan cahaya sama sekali dan hanya menunjukkan eksistensinya melalui gravitasi. Namun, hingga kini belum ada yang mengungkap komposisi materi gelap yang sebenarnya.
Oleh karena itu, beberapa astronom mencoba menjelaskan pergerakan bintang yang terlalu cepat di galaksi melalui cara lain selain materi gelap. Upaya yang paling representatif (dan paling sukses sejauh ini) adalah hipotesis MOND (Modified Newtonian Dynamics). Secara sederhana, MOND berangkat dari asumsi bahwa pada skala astronomi yang jaraknya sangat jauh di mana gravitasi bekerja lemah, efek gravitasi mungkin sebenarnya bekerja sedikit lebih kuat daripada yang diperkirakan sebelumnya. Jika gravitasi dapat bekerja lebih kuat pada jarak jauh dibandingkan dengan apa yang dinyatakan dalam teori relativitas umum, maka bintang-bintang di luar galaksi pun dapat tertahan oleh gravitasi yang lebih kuat. Dengan begitu, bintang-bintang yang berada jauh dari pusat galaksi dapat bergerak dengan kecepatan yang cukup tinggi.
Penerapan hipotesis MOND pada struktur skala besar alam semesta menghasilkan hasil yang menarik. Jika gravitasi dapat bekerja lebih kuat dari dugaan sebelumnya pada jarak yang jauh, maka wilayah dengan kepadatan tinggi di struktur skala besar alam semesta yang terletak jauh di segala sisi dapat menarik galaksi di sekitar kita dengan gravitasi yang sedikit lebih kuat. Dengan begitu, kita bisa menjelaskan mengapa galaksi di sekitar kita tampak tertarik ke segala arah dengan kecepatan yang cukup tinggi, tanpa harus berasumsi bahwa galaksi kita berada di dalam void raksasa.
Menurut hasil makalah kali ini, jika gravitasi diterapkan dengan cara MOND—bukan metode konvensional—Ketegangan Hubble hilang dengan rapi! Artinya, perbedaan antara laju pengembangan alam semesta yang diperkirakan melalui radiasi latar belakang kosmik dan melalui pergerakan galaksi benar-benar hilang! Dan akhirnya, alam semesta kita menjadi alam semesta yang damai dengan hanya satu laju pengembangan.
Tentu saja, MOND masih memiliki batasan penting, yaitu belum bisa sepenuhnya mengatasi berbagai pengamatan independen lainnya yang dijelaskan oleh model materi gelap yang ada. Namun, penelitian ini merupakan hasil yang sangat menarik karena memberikan kemungkinan untuk menerapkan MOND tidak hanya pada skala galaksi, tetapi pada skala alam semesta secara keseluruhan, dan melalui hal tersebut, menyelesaikan teka-teki besar kosmologi modern yang belum terpecahkan.
Hipotesis MOND masih dianggap sebagai aliran pinggiran di dunia astronomi. Namun, eksistensinya tidak terputus dan terus diperdebatkan dengan serius. Akankah MOND muncul sebagai aliran utama baru dalam dunia astronomi yang secara rapi menyelesaikan misteri Ketegangan Hubble di tingkat kosmologis? Seperti simpul pada struktur skala besar alam semesta yang rumit dan saling terkait, rahasia alam semesta masih belum terpecahkan.
Struktur skala besar alam semesta bukan sekadar peta yang menunjukkan rupa alam semesta tempat kita tinggal, melainkan peta harta karun yang menyimpan banyak rahasia alam semesta. Bagi pembaca "pecinta alam semesta" yang ingin merasakan struktur skala besar alam semesta setiap hari di balik awan meskipun cuaca sedang mendung, saya ingin memperkenalkan sebuah proyek khusus.
Bukankah momen saat payung terbuka lebar terasa seperti momen Big Bang di mana ruang dan waktu terbuka dalam sekejap? Sama seperti kita berdiri setiap saat di tengah alam semesta bundar yang dapat diamati dengan radius 49 miliar tahun cahaya, jika kita berdiri di tengah payung bundar yang menampung alam semesta, rasanya kita bisa merasakan alam semesta kita sendiri setiap saat. Oleh karena itu, saya memulai proyek yang disebut "Payung Alam Semesta Teramati Milikku" yang menyematkan visual struktur skala besar alam semesta.
Dengan mengukir simulasi yang paling baik menggambarkan proses pembentukan struktur skala besar alam semesta selama 13,8 miliar tahun ke atas payung, alam semesta teramati milik Anda sendiri akan terbuka saat payung itu dibentangkan. Semoga Anda menjadi protagonis alam semesta meskipun dalam cuaca mendung dengan tetesan air hujan.
Referensi
https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338
https://academic.oup.com/mnras/article/524/2/1885/7218572
https://academic.oup.com/mnras/article/526/2/3051/7296158
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/775/1/62
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Saat kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', dia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Lokal di Universitas Yonsei, serta aktif melakukan komunikasi sains melalui kuliah dan penulisan. Ia telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.