[비즈한국] Alam semesta sedang mengembang. Ini adalah realitas alam semesta yang terus berlangsung sejak dimulai dengan Big Bang 13,8 miliar tahun yang lalu. Hal ini tidak berakhir di sini. Kita masih belum mengetahui jawaban pasti mengenai seberapa cepat dan bagaimana alam semesta mengembang. Lebih tepatnya, semakin kita menggali lebih dalam tentang alam semesta, masalahnya menjadi semakin rumit.
Saat ini, para astronom memperkirakan bahwa akselerasi ekspansi alam semesta mulai meningkat secara signifikan sejak sekitar 7 miliar tahun yang lalu. Untuk menjelaskan percepatan ekspansi ini, para ilmuwan hanya bisa berasumsi bahwa alam semesta dipenuhi oleh energi misterius yang disebut energi gelap.
Meskipun belum ada yang mengetahui identitas sebenarnya dari energi gelap, ada premis penting yang telah disepakati selama hampir 20 tahun: bahwa kerapatan energi gelap selalu konstan dari masa awal hingga hari ini. Berbeda dengan materi gelap dan cahaya yang kerapatannya berkurang drastis seiring dengan ekspansi dan bertambahnya volume alam semesta, energi gelap diasumsikan selalu mempertahankan kerapatan yang merata. Seolah-olah total jumlah energi gelap bertambah seiring bertambahnya volume. Hanya dengan cara inilah kita bisa memahami percepatan ekspansi alam semesta yang terus meningkat.
Namun belakangan, keyakinan tersebut mulai goyah. Mungkin saja energi gelap perlahan-lahan berkurang seiring berjalannya waktu. Ini karena alam semesta, yang dulunya menginjak pedal gas ekspansi dengan kuat, tampak mulai perlahan mengangkat kakinya dari pedal tersebut. Memang benar bahwa ekspansi masih berakselerasi karena pedal gas masih diinjak, tetapi tingkat percepatannya tampak perlahan melambat. Mungkin saja 'waktu' di alam semesta mengalir dengan cara yang berbeda seiring berjalannya waktu.
Banyak orang keliru mengira bahwa energi gelap adalah konsep yang tiba-tiba muncul begitu saja. Mereka beranggapan bahwa konsep baru tentang percepatan ekspansi alam semesta dan energi gelap muncul pertama kali akibat pengamatan supernova pada tahun 1998. Namun, itu adalah kesalahpahaman yang nyata. Argumen bahwa harus ada energi tambahan, seperti tekanan negatif yang melawan gravitasi, sudah ada jauh sebelumnya.
Dulu, Albert Einstein merasa terganggu dengan fakta bahwa persamaannya mengarah pada alam semesta yang harus runtuh oleh gravitasinya sendiri. Agar alam semesta dapat bertahan tanpa runtuh, ia menambahkan suku baru yang melawan gravitasi secara sewenang-wenang. Jika dipikirkan kembali, suku tersebut ditambahkan bukan berdasarkan dasar fisika, melainkan hanya selera pribadi. Ini disebut sebagai konstanta kosmologis, Lambda (Λ). Seperti namanya, 'konstanta', diasumsikan bahwa entitas yang melawan gravitasi ini akan selalu memiliki nilai yang tetap dari masa lalu hingga sekarang.
Setelah itu, ketika simulasi kosmologi berbasis komputer mulai dimungkinkan, persepsi bahwa tindakan darurat Einstein adalah langkah yang sangat tepat mulai menguat. Faktanya, jika konstanta kosmologis Lambda milik Einstein tidak diterapkan, alam semesta dalam simulasi tidak akan mampu menahan gravitasinya sendiri dan akan runtuh dengan cepat.
Pada tahun 1995, sesaat sebelum hasil pengamatan supernova diumumkan, astronom Jeremiah Ostriker melalui makalah di jurnal 'Nature' menyatakan bahwa model alam semesta dengan Lambda yang tidak nol sangat diperlukan untuk mewujudkan gambaran alam semesta yang nyata. Dengan demikian, kebutuhan akan Lambda sudah sangat ditekankan di kalangan astrofisikawan teoretis. Tak lama kemudian, melalui pengamatan supernova oleh para astronom observasional, ditemukan bukti bahwa Lambda benar-benar bekerja di alam semesta.
Fakta bahwa penemuan ini diterima dengan cepat meskipun memiliki margin kesalahan yang besar karena hanya didasarkan pada sekitar 40 pengamatan supernova adalah karena semua orang telah menunggu konfirmasi akan eksistensinya. Konsep energi gelap dan Lambda tidak muncul tiba-tiba tanpa dasar. Penemuan percepatan ekspansi alam semesta dan energi gelap adalah jawaban yang diberikan alam semesta setelah sekian lama dinantikan oleh semua orang.
Kosmologi standar saat ini, yang menjelaskan alam semesta terdiri dari energi gelap, Lambda, dan materi gelap dingin yang hanya bereaksi terhadap gravitasi, disebut model ΛCDM (Lambda-CDM). Meskipun menjelaskan alam semesta dengan sangat baik, kita harus mengakui fakta bahwa kita masih belum mengetahui identitas asli Lambda. Untuk meneliti rahasia energi gelap ini dengan lebih baik, para astronom sedang melakukan proyek observasi baru yang dikhususkan hanya untuk energi gelap. Sesuai namanya, proyek ini disebut 'Dark Energy Spectroscopic Instrument' (DESI). Menggunakan teleskop 4 meter yang terletak di Kitt Peak National Observatory, Arizona, AS, mereka memetakan galaksi di seluruh alam semesta.
Baru-baru ini, tim DESI merilis gambar dan data spektrum dari 18,7 juta objek langit yang telah diamati. Di antaranya, hanya 4 juta yang merupakan bintang di galaksi Bimasakti kita. Sisanya mencakup 13 juta galaksi luar yang berada di luar Bimasakti, dan bahkan 1,6 juta quasar yang memancarkan kilatan cahaya terang dari ujung alam semesta. Ini hanyalah sebagian kecil dari pengamatan DESI yang akan diselesaikan di masa depan. Data yang jauh lebih luas akan terus bermunculan.
Untuk memastikan apakah alam semesta terus menginjak pedal gas dengan kekuatan yang sama dari masa lalu hingga sekarang, kita perlu melihat bagaimana laju ekspansi alam semesta berubah dari masa lalu yang jauh hingga saat ini. Untuk ini, jarak ke galaksi yang sangat jauh harus diukur dengan akurat. Biasanya, bintang variabel atau supernova digunakan, tetapi ini tidak berguna dalam pengamatan skala besar seperti DESI. Bintang variabel adalah bintang biasa, sehingga sulit untuk dibedakan satu per satu jika jaraknya sedikit menjauh. Supernova memang terang, tetapi karena tidak bisa diprediksi kapan dan di mana ia akan meledak, itu murni adalah 'permainan keberuntungan'. Oleh karena itu, DESI menggunakan alat ukur jarak lain yang mungkin terasa asing.
Alam semesta pada awal penciptaan berada dalam keadaan plasma bersuhu tinggi. Cahaya dan partikel tercampur menjadi satu. Di dalam "sup" partikel berdensitas tinggi yang menghalangi jalan, cahaya tidak bisa bergerak bebas. Sementara itu, pada periode ini alam semesta diatur oleh mekanika kuantum. Fluktuasi densitas di mana energi secara acak lebih tinggi atau lebih rendah terjadi di mana-mana. Area dengan densitas tinggi menarik materi di sekitarnya dengan gravitasi yang sedikit lebih kuat, dan pada saat yang sama suhu yang meningkat mendorong materi keluar karena tekanan cahaya. Dalam proses pergulatan antara gravitasi dan tekanan cahaya ini, gelombang tekanan seperti suara terbentuk dan menyebar ke segala arah. Gelombang suara kosmik ini menyebar dari pusat fluktuasi densitas di mana kepadatan sedikit lebih tinggi di seluruh alam semesta.
Seiring dengan berkembangnya alam semesta, suhunya menjadi dingin, dan partikel-partikel yang mendidih panas bergabung kembali menjadi elektron dan atom, sehingga alam semesta menjadi jernih. Cahaya menembus celah antar partikel dan menyebar dengan bebas, dan tekanan cahaya tidak lagi meninggalkan jejak pada partikel. Hingga saat itu, gelombang suara dari fluktuasi densitas awal terukir utuh di alam semesta. Getaran awal yang terbentuk saat itu meninggalkan jejak dalam distribusi materi alam semesta dini, dan galaksi-galaksi baru terbentuk di sekitar area yang lebih padat yang terbentuk oleh penyebaran melingkar tersebut.
Ukuran getaran awal ini spesifik. Mengingat skala alam semesta yang mengembang hingga saat ini, getaran tersebut seharusnya menyebar dengan radius sekitar 490 juta tahun cahaya. Mengejutkannya, jika kita memetakan distribusi galaksi di alam semesta saat ini, secara statistik lebih sering ditemukan dua galaksi yang terpisah sejauh 490 juta tahun cahaya dibandingkan asumsi jika galaksi tersebar secara acak. Ini menunjukkan dengan jelas bahwa cahaya dan materi menyatu di awal alam semesta, dan saat terpisah di titik tertentu, mereka meninggalkan jejak berukuran spesifik di alam semesta. Jejak getaran yang tersisa seperti gelombang suara di alam semesta dini ini disebut Baryon Acoustic Oscillation (BAO).
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, BAO memiliki skala yang sangat spesifik. Ini menjadi semacam standar ukuran yang kita ketahui jarak pastinya. Dengan membandingkan interval jarak antar galaksi yang tersebar di alam semesta yang jauh secara statistik, kita dapat mengukur skala BAO di sana. Karena kita sudah mengetahui skala BAO yang sebenarnya, dengan membandingkannya, kita dapat mengetahui seberapa jauh galaksi-galaksi tersebut berada. Lebih jauh lagi, dengan membandingkan jarak dan kecepatan mereka menjauh dari kita, kita dapat memperoleh laju ekspansi alam semesta di masa lalu dengan alami.
Namun, ini saja memiliki batasan. Oleh karena itu, tim DESI menambahkan berbagai kendala yang mencerminkan evolusi alam semesta ke dalamnya. Misalnya, menerapkan kondisi seperti nukleosintesis Big Bang yang menunjukkan rasio elemen yang terbentuk di alam semesta dini. Melalui ini, tim DESI memperkirakan konstanta Hubble, yang menunjukkan laju ekspansi alam semesta, sekitar 68,5±6. Angka ini sangat mendekati perkiraan 67,4±0,5 yang didasarkan pada sisa panas Big Bang yang tersebar di seluruh alam semesta, yaitu radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB). Hal ini memberikan harapan bahwa teka-teki "Hubble Tension", yang selama ini menyiksa para astronom karena perbedaan hasil antara dua metode (fenomena galaksi menjauh dan radiasi latar belakang kosmik), akhirnya akan terselesaikan.
Namun, masalah sebenarnya baru dimulai setelah ini. Semakin banyak kendala yang diterapkan pada data DESI, semakin jauh hasilnya dari model ΛCDM yang ada. Akhirnya, para astronom berani melakukan upaya radikal, yaitu menerapkan model baru bernama model CPL (Chevallier–Polarski–Linder). Alih-alih menggunakan Lambda yang selalu konstan, mereka memasukkan energi gelap yang berevolusi seiring waktu. Dikatakan bahwa variabel energi gelap (w) dalam persamaan keadaan alam semesta tidak selalu konstan di angka -1, melainkan memiliki tingkat perubahan.
Jika model standar yang ada benar dan energi gelap selalu konstan, maka w harus -1 dan tingkat perubahannya wₐ=0. Namun, jika data DESI dikombinasikan dengan data radiasi latar belakang kosmik dan supernova (sebagai lilin standar), maka w cenderung ke -0,75. Secara statistik, hasil ini mencapai maksimal 4,2 sigma. Ini berarti kemungkinan bahwa hasil ini hanya kebetulan statistik hanyalah sekitar 0,1%. Biasanya dalam sains, jika melebihi 3 sigma, itu disebut sebagai sinyal signifikan yang perlu diperhatikan. Tentu saja, ini belum mencapai 5 sigma yang menjadi standar "bukti kuat" dalam sains, tetapi ini jelas mengisyaratkan bahwa perubahan sedang terjadi pada alam semesta kita dan pandangan kita terhadapnya.
Oleh karena itu, beberapa astronom baru-baru ini berargumen perlunya meninggalkan model ΛCDM yang menganggap Lambda sebagai konstanta dan beralih ke model baru. Model ini disebut model w₀wₐ-CDM. Di sini, w₀ merujuk pada w saat ini, dan wₐ merujuk pada tingkat perubahannya. Artinya, untuk menyatakan w pada titik waktu tertentu di masa lalu, kita tidak bisa hanya berasumsi bahwa nilainya sama dengan w saat ini, melainkan harus mengalikan dengan tingkat perubahannya untuk mengetahui seberapa besar atau kecil w di masa lalu.
Hasil baru dari tim DESI secara mendasar mengubah akhir dari alam semesta kita. Menurut model lama yang menganggap energi gelap akan terus dipertahankan, percepatan ekspansi alam semesta akan menjadi semakin tak terkendali hingga akhirnya mencapai "Big Rip", di mana segalanya hancur hingga ke unit atom. Alam semesta akan mencapai "kematian panas" di mana semua cahaya dan panas menghilang. Namun, jika menurut hasil ini energi gelap ada tetapi perlahan berkurang, maka percepatan ekspansi alam semesta perlahan akan mendekati nol dan alam semesta dapat mencapai "Big Freeze" di mana ia perlahan-lahan mendingin. Jika alam semesta mengikuti nasib ini, struktur raksasa seperti gugus galaksi dan supergugus akan bertahan lebih lama.
Kita bahkan bisa membayangkan skenario yang lebih ekstrem. Bagaimana jika alam semesta tidak hanya perlahan mengangkat kaki dari pedal gas ekspansi, tetapi juga memindahkan kakinya ke rem di sebelahnya? Jika demikian, suatu hari ekspansi alam semesta akan berhenti dan mulai runtuh kembali karena gravitasi. Dan alam semesta mungkin akan menemui nasib "Big Crunch", di mana ia kembali ke keadaan tepat setelah Big Bang. Tentu saja ini adalah cerita yang terjadi jauh setelah kita semua tiada, tetapi bukankah menarik bahwa kita sekarang bisa berbicara tentang masa depan yang tak terbayangkan bukan sebagai imajinasi belaka, melainkan dengan data yang nyata?
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250314738D/abstract
Siapa penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', dia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi galaksi 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 telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Sedang PDKT', 'Berpikir Tentang Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.