[비즈한국] "Bumi tetap berputar!" Sering dikisahkan bahwa Galileo membisikkan kata-kata ini saat keluar dari ruang pengadilan. (Sebenarnya tidak ada bukti bahwa ia benar-benar mengatakannya.) Memang, apa pun yang ada di alam semesta pasti berputar. Bumi berputar, Bulan dan Matahari berputar, bahkan galaksi kita pun berputar. Segala sesuatu yang ada di alam semesta pasti memiliki setidaknya sedikit momentum sudut sejak awal penciptaannya. Jika kita merata-ratakan pergerakan semua partikel yang membentuk keseluruhan sistem, akan terasa janggal jika momentum sudut totalnya benar-benar saling meniadakan hingga nol tanpa rotasi ke arah mana pun. Terlebih lagi, semua benda langit di alam semesta terbentuk dari partikel-partikel yang awalnya tersebar luas kemudian berkumpul akibat gravitasi. Dalam prosesnya, jari-jari rotasi menjadi lebih kecil dan kecepatan rotasi pun meningkat demi menjaga kelestarian momentum sudut total. Itulah sebabnya segala sesuatu di alam semesta ini berputar.
Lalu, bagaimana dengan seluruh alam semesta itu sendiri? Apakah mungkin seluruh alam semesta tempat kita tinggal ini juga memiliki momentum sudut yang tidak nol?
Faktanya, pertanyaan ini sudah lama ada dalam sejarah astronomi. Jawaban pastinya tidak diketahui. Hanya saja, sejauh ini belum ada tanda-tanda bahwa alam semesta kita sedang berputar. Namun, jika kita menerima asumsi berani bahwa alam semesta kita mungkin sedang berputar, salah satu misteri paling pelik dalam kosmologi modern yang belum terpecahkan bisa jadi akan terjawab. Jika alam semesta benar-benar berputar, teka-teki yang disebut 'Ketegangan Hubble' (Hubble Tension), di mana tingkat ekspansi alam semesta tampak berbeda tergantung pada metode pengamatannya, dapat dijelaskan dengan sederhana.
Sebenarnya, gagasan bahwa seluruh alam semesta berputar pertama kali diajukan oleh seorang matematikawan luar biasa pada tahun 1949. Kurt Gödel, yang juga dikenal sebagai filsuf dan matematikawan, menemukan solusi yang sangat unik menggunakan persamaan gravitasi Einstein. Ia berasumsi bahwa alam semesta dipenuhi oleh media seperti fluida transparan. Gödel menyebut media ini sebagai 'debu'. Ia pun membuat model alam semesta yang berputar secara utuh.
Menurut teori relativitas Einstein, keberadaan massa dapat mendistorsi ruang-waktu di sekitarnya. Jika kita menambahkan efek rotasi dari massa tersebut, akan muncul efek yang lebih dramatis. Bayangkan sebuah bola boling diletakkan di atas kasur dan diputar. Putaran bola boling tersebut akan menarik kain kasur ikut terpilin. Faktanya, setiap objek yang berputar di ruang-waktu semesta akan "menarik" ruang-waktu di sekitarnya. Hal ini disebut sebagai *Frame dragging*. Efek ini telah dikonfirmasi pada pulsar biner serta lintasan wahana antariksa yang melakukan *swing-by* di dekat Jupiter.
Jika alam semesta benar-benar berputar utuh seperti imajinasi Gödel, tentu saja efek *frame dragging* akan terjadi di seluruh penjuru alam semesta. Karena ruang-waktu itu sendiri ikut tertarik akibat rotasi, maka muncul perbedaan tingkat distorsi ruang-waktu antara alam semesta yang jauh dan yang dekat jika dilihat dari sudut pandang kita. Kita perlu mempertimbangkan efek ini untuk memahami tingkat ekspansi alam semesta, yaitu konstanta Hubble, dari alam semesta jauh hingga dekat secara lebih akurat.
Baru-baru ini, sebuah makalah mengejutkan yang menguji imajinasi berani Gödel telah diterbitkan. Salah satu masalah yang membuat pusing astronom dalam kosmologi modern adalah Ketegangan Hubble. Ketegangan Hubble merujuk pada masalah di mana nilai konstanta Hubble—yang menunjukkan tingkat ekspansi alam semesta—berbeda tergantung pada metode pengamatannya.
Berdasarkan pengamatan terhadap seberapa cepat galaksi-galaksi di alam semesta menjauh, yaitu dengan membandingkan kecepatan mundur galaksi berdasarkan jaraknya, konstanta Hubble menunjukkan angka sekitar 73 km/s/Mpc. Ini adalah cara yang paling tradisional dan langsung untuk menghitung tingkat ekspansi alam semesta. Banyak astronom percaya bahwa metode ini tidak memiliki masalah fatal. Memang bisa ada margin kesalahan besar dalam menentukan jarak ke galaksi, dan beberapa penelitian baru-baru ini pun telah mengangkat keraguan tersebut, namun hasil pengamatan besar-besaran secara beruntun menggunakan teleskop Hubble dan James Webb tetap menunjukkan angka konstanta Hubble yang serupa.
Tingkat ekspansi alam semesta juga dapat diketahui melalui sinyal radio samar yang tertinggal di seluruh alam semesta saat alam semesta purba yang sangat panas dan padat mendingin seraya mengembang. Sinyal radio yang menjadi sisa panas dari Big Bang ini disebut sebagai radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (*Cosmic Microwave Background*). Menurut pengamatan satelit Planck yang paling baru, konstanta Hubble menunjukkan angka sekitar 67 km/s/Mpc. Angka ini lebih kecil dibandingkan estimasi dari pengamatan langsung fenomena mundurnya galaksi. Dengan kata lain, ekspansi alam semesta yang dipahami dari fenomena mundurnya galaksi tampak lebih cepat dibandingkan ekspansi yang diperkirakan dari jejak sisa panas alam semesta.
Dua puluh tahun yang lalu, ketika perbedaan kedua metode pengamatan ini pertama kali muncul, para astronom tidak terlalu ambil pusing. Saat itu, kedua metode memiliki margin kesalahan yang besar sehingga nilai pengukurannya masih tumpang tindih. Seiring berkurangnya margin kesalahan dan semakin presisinya metode pengamatan, orang berharap nilai-nilai tersebut akan mengerucut ke satu angka. Namun, yang terjadi dalam 20 tahun terakhir justru sebaliknya. Meskipun margin kesalahan pada kedua metode (mundurnya galaksi dan radiasi latar belakang kosmik) telah mengecil, perbedaannya justru semakin mencolok. Masalah pelik di mana kita seolah sedang melihat dua alam semesta yang berbeda meskipun sama-sama mengamati ekspansi alam semesta inilah yang disebut Ketegangan Hubble.
Makalah ini menyajikan kemungkinan menarik bahwa karena alam semesta berputar secara utuh, konstanta Hubble bisa jadi teramati berbeda antara alam semesta yang dekat dan yang jauh. Grafik yang memuat hasil inti dari makalah ini sangat menarik. Sumbu X grafik menunjukkan waktu alam semesta sejak Big Bang, dan sumbu Y menunjukkan bagaimana konstanta Hubble berubah seiring evolusi alam semesta.
Dua garis putus-putus hitam di bagian paling bawah grafik menunjukkan hasil pengukuran konstanta Hubble berdasarkan pengamatan galaksi berbasis supernova dan radiasi latar belakang kosmik. Terlihat perbedaan yang sangat tipis. Perbedaan inilah yang merupakan Ketegangan Hubble yang dibahas tadi. Keduanya merepresentasikan tingkat ekspansi alam semesta saat ini.
Namun, seiring mengembangnya alam semesta, konstanta Hubble juga berubah. Garis biru pada grafik menunjukkan proses perubahan konstanta Hubble berdasarkan model ΛCDM, yaitu model standar alam semesta yang paling diyakini para astronom saat ini. Ini adalah model standar yang memperhitungkan materi gelap dan energi gelap. Sementara warna hijau dan ungu pada grafik menunjukkan bagaimana konstanta Hubble berubah ketika kita mengasumsikan kecepatan rotasi yang berbeda dalam model alam semesta yang berputar.
Khususnya, jika kita melihat gambar *inset* yang digambarkan secara lebih detail di kiri dan kanan grafik, terlihat seberapa baik konstanta Hubble dari setiap model sesuai dengan hasil pengamatan aktual, baik pada masa awal alam semesta saat radiasi latar belakang kosmik mulai menyebar, maupun pada masa kini. Saat kerapatan partikel alam semesta awal menipis dan cahaya purba mulai menyebar sehingga radiasi latar belakang kosmik tercipta, nilai konstanta Hubble dari model ΛCDM maupun model alam semesta berputar terlihat serupa.
Namun, saat mendekati masa kini, perbedaannya melebar. Garis biru (hasil model ΛCDM) dan garis hijau serta ungu (model alam semesta berputar) terlihat jelas terpisah. Hasil model ΛCDM melewati angka 67 km/s/Mpc, yang identik dengan konstanta Hubble hasil pengamatan radiasi latar belakang kosmik. Namun, hasil model alam semesta berputar melewati kisaran 73 km/s/Mpc, yang identik dengan konstanta Hubble hasil pengamatan langsung fenomena mundurnya galaksi! Makalah ini berpendapat bahwa tingkat ekspansi alam semesta yang diestimasi dari pengamatan langsung galaksi menunjukkan kondisi alam semesta yang relatif dekat, sementara alam semesta yang dilihat dari radiasi latar belakang kosmik menunjukkan kondisi alam semesta yang jauh lebih luas.
Jika alam semesta berputar secara utuh seperti model Gödel, kondisi alam semesta yang kita lihat memang bisa berbeda tergantung jarak. Dengan kata lain, Ketegangan Hubble bisa jadi merupakan hasil dari fakta bahwa kita melihat alam semesta yang sedikit berbeda tergantung pada metode pengamatan!
Lalu, seberapa cepat alam semesta kita harus berputar agar bisa menjelaskan Ketegangan Hubble yang teramati saat ini, yakni tingkat ekspansi 73 km/s/Mpc? Sangat lambat. Jika alam semesta berputar sangat, sangat lambat, yakni satu putaran setiap 500 miliar tahun, maka Ketegangan Hubble saat ini dapat dijelaskan dengan cukup baik. Hal ini menjelaskan mengapa kita selama ini tidak merasakan putaran alam semesta melalui pengamatan langsung.
Apakah Anda kecewa karena kecepatan rotasi alam semesta yang disarankan makalah ini sangat lambat? Masih ada hal yang lebih mengejutkan. Kecepatan rotasi satu putaran per 500 miliar tahun adalah kecepatan batas tercepat yang bisa dimiliki oleh alam semesta yang berputar! Jika alam semesta berputar dengan kecepatan sudut yang lebih tinggi, akan muncul masalah di mana ruang-waktu menjadi terpilin, waktu mengalir mundur, dan semua hukum fisika runtuh. Jika diasumsikan bahwa alam semesta kebetulan berputar pada kecepatan rotasi tercepat yang secara teoritis mungkin, banyak teka-teki kosmologi yang tersisa saat ini dapat terpecahkan dengan rapi! Ini adalah hasil yang sangat menarik untuk sekadar dianggap sebagai kebetulan.
Kebetulan menarik ini mengingatkan kita kembali pada 'Kosmologi Lubang Hitam' yang pernah dibahas sebelumnya. Hipotesis yang menyatakan bahwa alam semesta kita mungkin adalah dunia yang terjebak di dalam lubang hitam raksasa lainnya. Ide ini berawal dari fakta bahwa sesaat setelah Big Bang, alam semesta dan lubang hitam secara fisik tidak ada bedanya, yaitu sama-sama merupakan singularitas di mana seluruh massa terkumpul di satu titik. Semua lubang hitam yang ada di alam semesta memiliki rotasi cepat, jadi jika alam semesta kita juga terjebak di dalam lubang hitam, seharusnya ia juga memiliki rotasi. Ada kebetulan lain yang tersembunyi di sini. Jika kita mengasumsikan bahwa seluruh alam semesta memang terjebak dalam lubang hitam dan menghitung seberapa besar cakrawala peristiwa (*event horizon*) yang dimiliki lubang hitam seberat massa total alam semesta saat ini, ukurannya hampir sama dengan ukuran alam semesta teramati yang kita ketahui!
Ukuran cakrawala alam semesta secara keseluruhan maupun kecepatan rotasi alam semesta secara keseluruhan, semuanya tampak pas jika kita mengasumsikan bahwa alam semesta kita adalah dunia yang terjebak di dalam lubang hitam. Sayangnya, memverifikasi secara pengamatan apakah alam semesta kita benar-benar berputar sangatlah sulit. Itu karena kita berada di dalam alam semesta. Jika kita juga berputar dengan kecepatan yang sama dengan ruang-waktu di sekitar kita, tidak ada cara untuk mengetahui apakah alam semesta benar-benar berputar, tidak peduli seberapa teliti kita mengamati sekitar.
Selain itu, kecepatan rotasi alam semesta yang disarankan secara teoritis sangat lambat. Bahkan jika hipotesis ini benar, waktu yang dibutuhkan alam semesta untuk satu kali putaran adalah 500 miliar tahun. Padahal, usia alam semesta yang kita ketahui saat ini baru 138 miliar tahun. Dibutuhkan waktu 36 kali lipat dari usia alam semesta saat ini untuk menyelesaikan satu putaran penuh. Sekalipun kita terus mengamati galaksi-galaksi jauh, kita tidak akan bisa mengetahui apakah posisi benda-benda langit tersebut bergeser secara mikroskopis hanya dengan pengamatan selama beberapa tahun.
Kita bisa memikirkan metode tidak langsung. Jika momentum sudut seluruh alam semesta tidak nol, maka rata-rata semua galaksi yang ada di alam semesta harus berbagi komponen rotasi ke arah tertentu, meski samar. Kita bisa memeriksa secara statistik apakah arah rotasi galaksi-galaksi di seluruh alam semesta terdistribusi secara acak, atau memiliki arah tertentu. Penelitian yang baru-baru ini diperkenalkan juga berfokus pada kemungkinan ini (artikel terkait: [Sains] Mengapa Alam Semesta Berputar Searah Jarum Jam).
Jujur saja, sampai baru-baru ini para astronom sangat skeptis terhadap klaim semacam ini. Secara tradisional, alam semesta dianggap sebagai dunia di mana segalanya terdistribusi secara merata tanpa memiliki arah tertentu. Dalam astronomi, pandangan ini disebut Prinsip Kopernikus. Pandangan bahwa tidak ada tempat yang istimewa di alam semesta.
Namun, belakangan ini pandangan tersebut mulai diragukan. Struktur raksasa (super-struktur) yang memiliki kepadatan galaksi lebih tinggi atau lebih rendah terus ditemukan dalam skala yang sangat besar, yang sulit untuk diabaikan dibandingkan dengan ukuran alam semesta teramati. Bahkan, pengamatan radiasi latar belakang kosmik mengungkapkan arah yang mencurigakan dan sulit dipahami. Tampak seolah-olah separuh alam semesta bergerak menuju kita dan separuh lainnya menjauh. Bahkan setelah pergerakan tata surya kita sendiri dikurangi, arah yang tidak bisa dipahami ini tetap ada. Fakta-fakta yang baru terungkap ini membuat kita mempertanyakan apakah alam semesta kita benar-benar dunia yang adil dan seragam bagi siapa pun tanpa sedikit pun kesalahan, dunia di mana Prinsip Kopernikus berlaku.
"Bumi tetap berputar." 400 tahun setelah pengadilan Galileo, umat manusia kini berdiri kembali di depan pengadilan baru mengenai rotasi alam semesta. Dalam 400 tahun tersebut, ukuran alam semesta yang perlu kita pikirkan telah menjadi jauh lebih besar. Karena kali ini, yang dibicarakan adalah rotasi seluruh alam semesta.
Referensi
https://academic.oup.com/mnras/article/538/4/3038/8090496
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton 'Galaxy Express 999', ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi galaksi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat Universitas Yonsei, serta aktif melakukan komunikasi sains melalui kuliah dan tulisan. Ia telah menulis buku-buku seperti 'Sam-ta-neun Cheonmun-dae' (Observatorium yang Sedang PDKT), 'Haru Jongil Uju Saenggak' (Memikirkan Alam Semesta Seharian), dan 'Byeol, Bit-ui Gwahak' (Bintang, Sains Cahaya).