[비즈한국] Alam semesta sedang mengembang. Namun, ekspansi tersebut semakin cepat. Percepatan ekspansi alam semesta, yang mulai dibahas sejak pengamatan supernova di ujung alam semesta pada tahun 1998, kini telah menjadi teori mapan untuk menjelaskan evolusi alam semesta. Namun, tidak ada seorang pun yang mengetahui penyebab mengapa ruang dan waktu di alam semesta mengembang semakin cepat.
Alam semesta dipenuhi oleh banyak galaksi. Galaksi-galaksi tersebut saling tarik-menarik dengan gravitasi. Jika hanya ada gravitasi, alam semesta justru seharusnya semakin mengecil. Namun, fakta bahwa alam semesta mengembang lebih cepat berarti ada energi misterius yang bekerja mendorong ruang dan waktu alam semesta ke arah yang berlawanan dengan gravitasi. Pada akhirnya, kita hanya memberikan nama yang masuk akal, yaitu energi gelap, kepada energi tak dikenal ini dan berusaha keras melacak keberadaannya.
Namun, dalam beberapa tahun terakhir, muncul hipotesis menarik mengenai asal usul energi gelap. Hipotesis tersebut menyatakan bahwa lubang hitam, yang merupakan salah satu teka-teki terbesar di alam semesta selain energi gelap, mungkin adalah asal usul dari energi gelap itu sendiri. Bayangkan, energi gelap tercipta di dalam lubang hitam! Ini adalah hipotesis yang sangat menarik karena menghubungkan dua entitas paling misterius di alam semesta. Apakah benar lubang hitam adalah pelaku yang membuat alam semesta semakin cepat "gemuk"?
Apa yang terjadi di dalam lubang hitam? Tidak ada yang tahu. Batas lubang hitam yang bisa kita amati hanyalah sampai cakrawala peristiwa (event horizon). Kita tidak bisa melihat kegelapan di baliknya karena ruang dan waktu terdistorsi begitu dalam hingga cahaya pun tidak bisa lolos. Secara matematis, kita hanya memperkirakan bahwa di pusat lubang hitam terdapat singularitas di mana seluruh massa terkumpul di satu titik. Namun, beberapa fisikawan berpendapat bahwa semacam gaya tolak bekerja di dalam untuk mencegah lubang hitam runtuh sepenuhnya. Misalnya, adanya energi vakum di dalam lubang hitam.
Energi vakum secara harfiah berarti vakum yang benar-benar kosong menyimpan energi. Dari sudut pandang mekanika kuantum, vakum sebenarnya tidak kosong. Dalam sekejap, partikel dan antipartikel terus-menerus tercipta dan musnah. Meskipun tampak tenang dan kosong, faktanya partikel-partikel terus muncul dan hilang di dalam vakum. Vakum dengan volume 1m³ memiliki sekitar 1 nanojoule energi vakum. Energi semacam ini bisa bekerja di dalam lubang hitam yang runtuh akibat gravitasi yang sangat kuat. Energi vakum yang terbentuk di dalam lubang hitam mungkin melawan gravitasi dan mencegah lubang hitam runtuh sepenuhnya.
Namun, di sinilah kita bisa membayangkan sihir yang menakjubkan. Rumus terkenal Einstein, E=mc², menyatakan prinsip ekuivalensi bahwa massa adalah energi, dan energi adalah massa. Jika alam semesta mengembang, lubang hitam yang ada di ruang dan waktu alam semesta secara alami juga ikut mengembang. Akibatnya, lubang hitam akan menyimpan lebih banyak energi vakum. Meningkatnya energi yang dikandung lubang hitam berarti massa lubang hitam menjadi lebih berat. Beberapa astronom memperkirakan bahwa ekspansi ruang dan waktu alam semesta itu sendiri menyebabkan lubang hitam tumbuh menjadi lebih berat.
Pada tahun 2023, sebuah penelitian menarik diterbitkan yang menunjukkan kemungkinan adanya hubungan antara ekspansi alam semesta dan pertumbuhan lubang hitam (Artikel terkait [Sains] Misteri Terbesar Alam Semesta, 'Hubungan Aneh' antara Lubang Hitam dan Energi Gelap). Saat itu, penulis makalah penelitian tersebut, Dr. Farrah, menemukan fakta yang mengejutkan. Dengan membandingkan distribusi massa lubang hitam supermasif di galaksi yang diamati 11 miliar tahun lalu, 6 miliar tahun lalu, dan hari ini, ditemukan bahwa seiring berjalannya waktu, distribusi massa lubang hitam tumbuh secara konsisten.
Yang lebih mengejutkan adalah saat skala alam semesta mengembang, massa lubang hitam bertambah sebanding dengan pangkat tiga dari skala alam semesta! Menurut hasil tim peneliti Farrah, ketika alam semesta menjadi dua kali lebih besar, massa lubang hitam tumbuh delapan kali lipat, yaitu pangkat tiga dari dua! Ini bisa menjadi petunjuk bahwa seiring bertambahnya volume alam semesta, massa lubang hitam itu sendiri tumbuh dalam proporsi yang tepat dengan volume tersebut.
Namun, kita perlu berhati-hati dalam menerima argumen ini secara terburu-buru. Kita masih belum mengetahui mekanisme pertumbuhan lubang hitam supermasif di pusat galaksi secara pasti. Tampaknya ini bukan sekadar hasil penggabungan lubang hitam kecil selama waktu yang lama. Ada kemungkinan lubang hitam raksasa ini terbentuk sekaligus karena awan molekul besar di alam semesta awal tepat setelah Big Bang berkontraksi secara bersamaan, tetapi ini pun belum pasti. Baru-baru ini, dengan ditemukannya lubang hitam supermasif yang relatif muda di ujung alam semesta melalui Teleskop Luar Angkasa James Webb, kita baru mulai menemukan kepingan petunjuknya.
Untuk memahami identitas energi gelap secara mendalam, para astronom sedang melakukan observasi DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), yang memetakan peta tiga dimensi detail galaksi di seluruh alam semesta. Dengan menggunakan teleskop Observatorium Kitt Peak di Arizona, AS, mereka memetakan galaksi di seluruh langit. Melalui ini, mereka membandingkan bagaimana struktur alam semesta dan kepadatan galaksi telah berubah dari masa lalu hingga sekarang, serta melacak bagaimana tingkat ekspansi alam semesta berubah seiring waktu. Hasil observasi pertama DESI baru saja dirilis, dan meskipun baru sebagian, hal ini menunjukkan kemungkinan menarik bahwa energi gelap tidak konstan, melainkan mungkin berubah seiring dengan usia alam semesta.
Baru-baru ini, para astronom melakukan analisis tambahan untuk memeriksa kemungkinan fluktuasi energi gelap dengan lebih presisi. Dari masa lalu hingga sekarang, tingkat kelahiran bintang di alam semesta terus berubah. Pada tahap awal, bintang lahir secara eksplosif, tetapi seiring alam semesta meluas dan bahan untuk membuat bintang menipis, efisiensi pembentukan bintang menjadi tenang. Bintang berevolusi dengan kecepatan yang berbeda tergantung pada massanya. Terutama, bintang yang berat runtuh menjadi lubang hitam dengan lebih cepat. Kita bisa menyimulasikan berapa banyak lubang hitam yang terbentuk dan runtuh pada setiap periode seiring bertambahnya usia alam semesta. Jika benar energi gelap terhubung dengan lubang hitam, perubahan laju pembentukan lubang hitam harus menunjukkan tren yang mirip dengan tingkat percepatan ekspansi alam semesta dan perubahan energi gelap.
Pada grafik di atas, sumbu x adalah waktu alam semesta. (Biasanya astronom menggunakan redshift yang menunjukkan seberapa jauh masa lalu, bukan satuan tahun). Kiri pada grafik adalah saat ini, dan semakin ke kanan adalah masa lalu saat setelah Big Bang. Oleh karena itu, untuk melihat urutan waktu, kita harus melihat dari ujung kanan ke ujung kiri. Perubahan energi gelap yang diidentifikasi dari hasil observasi pertama DESI dinyatakan dengan warna pada grafik. Karena baru menggunakan data pertama, rentang kesalahannya masih cukup lebar.
Pada grafik terlihat garis hitam solid dan putus-putus. Garis putus-putus adalah hasil yang direproduksi dengan merefleksikan sejarah pembentukan bintang alam semesta yang sudah diketahui sebelumnya. Garis solid adalah hasil yang diterapkan dengan merefleksikan kembali spekulasi bahwa bintang lahir secara sangat eksplosif bahkan di alam semesta awal setelah Big Bang, berdasarkan observasi James Webb terbaru. Oleh karena itu, garis hitam solid naik dengan curam di sebelah kanan (tepat setelah Big Bang). Meskipun area hasil observasi DESI yang dinyatakan dengan warna memiliki rentang kesalahan yang sangat luas, kita bisa melihat bahwa laju pembentukan lubang hitam dan laju ekspansi alam semesta cocok dengan baik, baik pada model lama (garis putus-putus) maupun model yang mencerminkan hasil observasi James Webb (garis solid).
Namun, di ujung paling kiri grafik, yaitu dalam 2 miliar tahun terakhir, grafik tersebut sangat menyimpang. Hingga masa lalu 2 miliar tahun lalu, hasil observasi dan model keduanya menjelaskan ekspansi alam semesta dengan baik, namun memasuki 2 miliar tahun terakhir, observasi dan model menjadi sangat tidak sinkron. Makalah ini menjelaskan hal tersebut karena penurunan laju bintang berat yang runtuh menjadi lubang hitam dalam 2 miliar tahun terakhir. Karena jumlah lubang hitam yang diproduksi berkurang, energi gelap juga berkurang, dan tingkat percepatan ekspansi alam semesta sedikit menurun dalam waktu yang paling baru.
Argumen mereka sangat menarik. Faktanya, selama ini astronom telah menganalisis dengan menetapkan energi gelap sebagai konstanta yang tidak pernah berubah seiring waktu untuk menjelaskan evolusi alam semesta. Sebagian besar simulasi kosmologis pun demikian. Namun, melihat hasil ini, model yang berasumsi bahwa jumlah energi gelap berubah seiring waktu dengan asumsi bahwa energi gelap terhubung dengan lubang hitam jauh lebih baik dalam menjelaskan hasil observasi DESI dibandingkan model ΛCDM (energi gelap-materi gelap dingin) yang ada di mana energi gelap diberikan sebagai konstanta yang tidak berubah. Terlebih lagi, fakta bahwa model dan hasil observasi menyimpang di masa sekarang mengingatkan kita pada misteri terkenal bernama Hubble Tension yang belakangan ini membuat para astronom kesulitan.
Hubble Tension mengacu pada masalah di mana tingkat ekspansi alam semesta yang relatif baru yang diukur melalui pergerakan galaksi sedikit berbeda dengan nilai tingkat ekspansi yang diamati di seluruh alam semesta yang sangat jauh melalui radiasi latar belakang kosmik. Mungkin perbedaan ini bisa terjadi karena tingkat percepatan ekspansi seluruh alam semesta itu sendiri berubah seiring waktu. Jika benar energi gelap terhubung dengan lubang hitam, seberapa cepat alam semesta akan mengembang mungkin ditentukan oleh seberapa banyak lubang hitam yang terbentuk di alam semesta, atau dengan kata lain, ditentukan oleh produksi lubang hitam.
Belum pasti. Sebelum berbicara mengenai apakah lubang hitam terhubung dengan energi gelap, pertama-tama kita harus menjawab dua pertanyaan dengan sempurna. Pertama, apakah alam semesta benar-benar mengalami percepatan ekspansi? Pertanyaan mengenai percepatan ekspansi itu sendiri, di mana ekspansi alam semesta semakin cepat, masih belum sepenuhnya terjawab. Kedua, jika alam semesta mengalami percepatan ekspansi karena energi gelap, apakah energi gelap benar-benar tetap konstan? Atau apakah jumlah energi gelap berubah seiring waktu seperti yang baru-baru ini dibahas? Hanya setelah kedua pertanyaan ini terjawab dengan pasti, kita akhirnya dapat menggambarkan hubungan antara energi gelap dan lubang hitam dengan lebih jelas.
Bukankah itu menarik! Lubang hitam sekilas dianggap sebagai raja 'kontraksi' yang hanya menyedot segalanya. Sama sekali tidak terasa seperti entitas yang membuat sesuatu mengembang. Namun, ada kemungkinan bahwa lubang hitam tersebut adalah sumber energi gelap yang membuat seluruh alam semesta mengembang lebih cepat! Adakah pesona plot twist yang lebih dramatis dari ini?
Referensi
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acac2e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acb704
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2024/10/094
Siapa penulis Ji Ung-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia memiliki mimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.