[비즈한국] Alam semesta terlihat sama dari segala arah dan dari mana pun kita memandangnya. Hal ini disebut sebagai isotropi dan homogenitas alam semesta. Keduanya merupakan sudut pandang yang menjadi fondasi paling dasar astronomi modern saat ini. Tentu saja, di berbagai tempat di alam semesta terdapat gugus bintang dan galaksi tempat bintang-bintang berkumpul. Galaksi-galaksi pun hidup berkelompok dalam gugus galaksi. Sementara ada supergugus galaksi dan filamen yang memiliki kepadatan lebih tinggi daripada sekitarnya, terdapat juga ruang hampa atau 'void' yang memiliki kepadatan galaksi jauh lebih rendah dibandingkan area di sekitarnya.
Namun, semua ini dianggap hanya ketidakseragaman di tingkat lokal. Para astronom selama ini beranggapan bahwa pada skala kosmik yang sangat besar, ketidakseragaman kecil ini akan hilang atau mencair. Mereka beranggapan bahwa alam semesta itu sama di mana pun, konsisten, dan adil. Meskipun secara lokal tampak ada perbedaan kepadatan material, jika dilihat dari keseluruhan alam semesta, pada dasarnya ia homogen. Mereka bahkan berpikir bahwa premis utama ini tidak akan pernah runtuh.
Namun baru-baru ini, sejumlah astronom mulai menantang premis utama tersebut. Mungkin saja alam semesta kita bukanlah dunia yang seragam. Filamen dan void dalam struktur skala besar alam semesta mungkin sebenarnya adalah ketidakseragaman yang cukup signifikan, yang tidak dapat diabaikan begitu saja hanya dengan skala kosmik yang besar. Sudut pandang yang memandang alam semesta bukan lagi sebagai dunia yang homogen ini disebut sebagai hipotesis 'Timescape'.
Apakah hipotesis ini hanya sekadar permainan matematika yang menarik? Ataukah ini petunjuk baru untuk memecahkan teka-teki astronomi modern yang sedang kita hadapi?
Masih ada banyak misteri di alam semesta yang belum sepenuhnya kita pahami. Yang paling utama adalah energi gelap. Sejak akhir 1990-an, para astronom telah mengamati supernova di alam semesta yang semakin jauh, guna memahami bagaimana tingkat ekspansi alam semesta telah berubah dari masa lalu hingga saat ini. Hasilnya, mereka menyimpulkan bahwa alam semesta mengalami ekspansi yang dipercepat, di mana ekspansi semakin cepat seiring berjalannya waktu hingga saat ini. Untuk menjelaskan hasil pengamatan ini, perlu diasumsikan adanya energi anti-gravitasi baru yang berlawanan dengan gravitasi yang mencoba menciutkan alam semesta. Akhirnya, disimpulkan bahwa energi tak dikenal yang disebut energi gelap mendominasi alam semesta, namun identitasnya masih belum terungkap hingga kini.
Hipotesis Timescape, yang berargumen bahwa kita tidak boleh lagi memandang alam semesta sebagai dunia yang seragam, menunjuk pada kesimpulan bahwa energi gelap sebenarnya hanyalah ilusi. Dikatakan bahwa itu hanyalah kesalahpahaman dalam pengamatan, yang bahkan tidak perlu kita pertanyakan identitas aslinya sejak awal. Ada argumen yang menyatakan bahwa model alternatif yang menggunakan hipotesis Timescape justru lebih sesuai dengan hasil pengamatan supernova sejauh ini dibandingkan model standar yang didasarkan pada energi gelap. Apakah energi gelap hanyalah kesalahan besar yang muncul karena harapan kita yang salah terhadap alam semesta?
Untuk memahami apakah ekspansi alam semesta semakin cepat atau melambat seiring berjalannya waktu, kita perlu mengamati galaksi-galaksi pada berbagai jarak, mulai dari alam semesta yang jauh—yang memperlihatkan masa lalu—hingga alam semesta yang relatif dekat. Terutama galaksi-galaksi jauh yang merepresentasikan alam semesta di masa lalu yang sangat jauh, mereka sangat redup. Supernova sangat berguna saat mengamati galaksi jauh. Hal ini karena ledakannya sangat terang, mampu memuntahkan energi yang setara dengan total energi yang dipancarkan Matahari selama 10 miliar tahun dalam sekejap.
Di antara berbagai supernova, supernova tipe Ia jauh lebih berguna. Jenis supernova ini diketahui terjadi ketika katai putih, yang evolusinya telah berakhir sejak lama, menembus batasnya dan meledak. Ada dua cara utama terjadinya ledakan supernova tipe Ia. Satu kasus adalah ketika material dari bintang pendamping mengalir masuk ke katai putih yang memiliki bintang deret utama atau raksasa merah di sampingnya, dan kasus lainnya adalah ketika dua katai putih bertabrakan satu sama lain.
Meskipun terus ada keraguan bahwa durasi ledakan atau kecerahan maksimum bisa sedikit berbeda tergantung pada metodenya, secara tradisional diketahui bahwa kecerahan maksimum saat ledakan berpijar paling terang dari kedua cara tersebut adalah sama. Artinya, jika supernova tipe Ia meledak, kita bisa memperkirakan kecerahan aslinya sampai batas tertentu. Itulah alasan mengapa supernova tipe Ia dianggap sebagai "lilin standar" yang memungkinkan kita mencari jarak dengan mendapatkan kecerahan asli secara terpisah saat kita tidak mengetahui jaraknya. Oleh karena itu, supernova tipe Ia digunakan sebagai tolok ukur pengukuran jarak ke galaksi-galaksi jauh.
Namun, kita tidak bisa menunggu di mana dan kapan supernova akan meledak. Kita hanya bisa melihat bara api yang perlahan padam setelah ledakan terjadi. Oleh karena itu, sejak tahun 1990-an, para astronom mulai membentuk jaringan dengan berbagai teleskop yang tersebar di seluruh dunia untuk mulai memburu supernova secara otomatis dengan terus mengamati langit di arah yang sama secara berkala. Melalui cara ini, pada tahun 1998, data pengamatan dari 40 supernova tipe Ia berhasil dikumpulkan untuk pertama kalinya. Tepat dari sinilah ditemukan bukti bahwa ekspansi alam semesta semakin cepat seiring berjalannya waktu.
Itu adalah hasil yang mengejutkan. Namun, karena hanya menganalisis 40 supernova, hal ini saja tidak cukup. Setelah itu, berbagai pengamatan skala besar yang berfokus pada perburuan supernova dilakukan. Salah satu yang paling representatif adalah proyek Pantheon. Tim Pantheon merilis data pengamatan pertama pada tahun 2018, dan kemudian pada tahun 2022 mereka menyelesaikan data Pantheon+ yang telah ditingkatkan, memberikan total 1.500 data pengamatan supernova tipe Ia. Data pengamatan supernova yang meningkat tajam ini seolah mendukung hipotesis ekspansi yang dipercepat dengan tingkat kesalahan yang lebih kecil.
Astronomi hari ini memperkirakan bahwa alam semesta terdiri dari 25% materi gelap dan 70% energi gelap. Hanya 4-5% sisanya yang terdiri dari atom yang bisa kita lihat melalui cahaya. Namun, perkiraan ini didasarkan pada asumsi besar bahwa alam semesta bersifat homogen pada skala makro. Jika asumsi itu sendiri salah, semua prediksi tentang alam semesta bisa sangat berbeda.
Mari kita lihat struktur skala besar alam semesta. Tergantung pada wilayahnya, terdapat supergugus galaksi dan filamen tempat galaksi-galaksi berkumpul dengan kepadatan tinggi, serta void kosong yang hampir tidak memiliki galaksi. Void memiliki gravitasi yang lemah. Oleh karena itu, ia dapat mengembang lebih cepat daripada area lain dengan kepadatan tinggi. Jika cahaya melintasi void, panjang gelombang cahaya tersebut bisa meregang lebih jauh karena ekspansinya lebih kuat daripada di tempat lain. Hal ini membuat seolah-olah terjadi pergeseran merah (redshift) yang lebih besar.
Di sisi lain, perbedaan gravitasi juga memengaruhi kecepatan berjalannya waktu. Menurut teori relativitas Einstein, waktu berjalan lebih lambat di tempat dengan gravitasi yang kuat. Dibandingkan dengan void yang kosong, supergugus galaksi yang penuh dengan galaksi memiliki gravitasi yang lebih kuat, sehingga aliran waktunya bisa berjalan lebih lambat. Kita tinggal di sudut gugus galaksi tempat galaksi-galaksi relatif berkumpul. Oleh karena itu, kita bisa mempersepsikan bahwa aliran waktu berjalan sedikit lebih lambat daripada rata-rata alam semesta. Sebaliknya, di dalam void yang kosong dan hampir tidak ada galaksi, waktu akan berjalan lebih cepat.
Jika perbedaan kepadatan struktur skala besar alam semesta cukup tidak seragam sehingga sulit diabaikan bahkan dari perspektif makro, maka ceritanya akan sangat berbeda. Perbedaan laju ekspansi akibat perbedaan gravitasi per wilayah dan perbedaan pelambatan waktu bisa memberikan dampak yang kompleks. Kita yang tinggal di gugus galaksi yang padat, sambil melihat cahaya yang datang melintasi void kosong, mungkin saja salah mengira bahwa alam semesta mengalami ekspansi yang dipercepat di mana laju ekspansinya menjadi lebih besar saat ini dibandingkan masa lalu. Artinya, hal itu bisa membuat alam semesta tampak mengembang lebih cepat daripada aslinya.
Jika kita membandingkan model mana yang lebih baik dalam menjelaskan data pengamatan supernova Pantheon+ antara model ΛCDM standar yang menganggap energi gelap mendominasi ekspansi dipercepat alam semesta, dan model Timescape yang berargumen bahwa kita perlu lebih aktif mencerminkan ketidakseragaman alam semesta, hasilnya cukup menarik.
Grafik di atas membandingkan model mana dari kedua model tersebut yang lebih baik dalam menggambarkan hasil pengamatan berdasarkan jarak ke supernova yang teridentifikasi dalam data pengamatan Pantheon+. Garis hitam adalah tren data pengamatan supernova yang sebenarnya. Semakin dekat garis ke area biru di bagian atas, berarti semakin sesuai dengan model Timescape, dan semakin dekat ke area merah di bagian bawah, berarti lebih menyukai model ΛCDM yang sudah ada.
Meskipun kesalahannya masih besar, secara keseluruhan data pengamatan sebenarnya (garis hitam) lebih dekat ke area biru di atas. Model Timescape justru menjelaskan hasil pengamatan sedikit lebih baik daripada model ΛCDM yang ada. Perbedaannya terlihat lebih menonjol terutama pada supernova yang terletak pada jarak dekat dengan pergeseran merah kecil.
Data pengamatan supernova memang berguna, namun jumlahnya masih belum mencukupi. Oleh karena itu, sulit untuk menyimpulkan mana yang benar. Namun fakta menariknya adalah masalah besar dan kecil yang tidak dapat diselesaikan dengan mudah hanya dengan model standar yang sudah ada, kini mulai menumpuk satu demi satu. Bahkan hingga beberapa tahun lalu, para astronom berusaha memperpanjang umur model standar dengan memperbaiki asumsi-asumsi kecil dan faktor koreksi tanpa menyentuh kerangka besarnya. Namun sekarang, para astronom menjadi lebih radikal dan berani. Mereka bahkan mulai mempertanyakan prasyarat yang menjadi fondasi paling dasar dari astronomi modern, yaitu bahwa kepadatan alam semesta secara keseluruhan datar pada perspektif makro.
Model Timescape berargumen bahwa efek gravitasi akibat perbedaan kepadatan besar dan kecil di alam semesta tidak boleh diabaikan. Dikatakan bahwa alam semesta tidak sedatar atau seseragam yang kita pikirkan, melainkan dunia yang sangat kompleks. Mungkin saja alam semesta perlu diperlakukan dengan jauh lebih hati-hati daripada yang kita bayangkan selama ini.
Referensi
https://academic.oup.com/mnrasl/article/537/1/L55/7926647
https://academic.oup.com/mnras/article/533/3/2615/7737665
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8b7a
Tentang penulis Ji Woong-bae? Mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia memiliki mimpi untuk menyebarluaskan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Galaxy Evolution Center dan Near Universe Cosmology Lab di Yonsei University, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia telah menulis buku-buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.