[비즈한국] Alam semesta sedang mengembang. Galaksi-galaksi yang sangat jauh terus menjauh dari kita. Secara umum, semakin jauh sebuah galaksi, semakin cepat ia menjauh. Hingga titik ini, tidak ada satu pun orang di masa kini yang meragukannya. Namun, pusat perdebatan kosmologi belakangan ini telah bergeser ke arah lain.
Apakah ekspansi alam semesta semakin cepat, apakah tingkat percepatannya melemah, atau bahkan mungkinkah telah berbalik menjadi perlambatan?
Jika diibaratkan dengan mobil, pertanyaannya adalah apakah alam semesta masih menginjak pedal gas, mulai mengangkat kaki dari pedal gas, atau justru sudah mulai menginjak rem.
Pertanyaan ini tidak hanya berhenti pada persoalan memprediksi masa depan alam semesta. Ini adalah kontroversi mengenai esensi energi gelap, yang diyakini mencakup sekitar 70% dari total energi alam semesta saat ini. Pertanyaannya beralih pada apakah energi gelap itu benar-benar ada, jika ada apakah ia selalu konstan seiring waktu, atau justru berkurang dan bertambah seiring waktu.
Kisah besar ini dimulai sejak tahun 1998. Dua tim peneliti mengamati supernova tipe Ia yang meledak di galaksi yang sangat jauh. Satu tim dipimpin oleh Saul Perlmutter, dan tim lainnya dipimpin oleh Brian Schmidt dan Adam Riess. Apa yang sebenarnya ingin mereka buktikan adalah seberapa jauh ekspansi alam semesta ‘melambat’ akibat gravitasi. Awalnya, penelitian ini ditujukan untuk mengonfirmasi perlambatan ekspansi, bukan percepatan ekspansi alam semesta.
Alam semesta dipenuhi oleh banyak materi. Materi saling tarik-menarik karena gravitasi. Oleh karena itu, meskipun alam semesta mengembang setelah Big Bang, gravitasi materi seharusnya memperlambat ekspansi alam semesta layaknya rem. Ini adalah prediksi yang jauh lebih alami. Namun, kedua tim justru mengamati hasil yang sebaliknya. Supernova jauh yang dianalisis oleh tim Riess tampak rata-rata sekitar 10-15% lebih jauh daripada nilai prediksi yang diharapkan dalam alam semesta berdensitas rendah tanpa energi gelap. Tim Perlmutter juga menyimpulkan hal serupa dengan menggunakan 42 supernova ber-redshift tinggi. Fakta bahwa supernova jauh tampak lebih redup dari perkiraan diartikan bahwa mereka berada jauh lebih jauh dari dugaan. Artinya, dari titik waktu tertentu di masa lalu, alam semesta mengembang lebih cepat dari yang diperkirakan, sehingga objek-objek tersebut menjauh lebih jauh. Dengan demikian, kedua tim menyimpulkan bahwa alih-alih melambat, kecepatan ekspansi alam semesta justru semakin cepat, yakni mengalami percepatan ekspansi.
Berkat penemuan ini, Perlmutter, Schmidt, dan Riess memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 2011. Masalahnya kemudian berlanjut pada: lalu apa sebenarnya yang membuat ekspansi alam semesta semakin cepat?
Dalam teori relativitas umum, percepatan alam semesta tidak bisa terjadi dengan mudah hanya karena ada banyak energi. Biasanya, materi dan radiasi memperlambat ekspansi alam semesta melalui gravitasi. Agar ekspansi alam semesta dapat dipercepat, diperlukan sesuatu yang sangat aneh dengan densitas positif namun memiliki tekanan negatif. Jika dinyatakan dengan persamaan keadaan kosmologis, percepatan/perlambatan ekspansi alam semesta dapat dinyatakan dengan cara menggabungkan densitas energi (ρ) dan tekanan (P), yaitu ρ+3P/c^2. Agar alam semesta mengalami percepatan, nilai ini harus negatif. Alam semesta hanya bisa mengalami ekspansi percepatan jika tekanannya lebih kecil dari -1/3 densitas energi. Para astronom menyebut komponen aneh yang sama sekali tidak bisa dipahami ini sebagai energi gelap.
Interpretasi yang paling "malas" dan mudah adalah konstanta kosmologis yang menyatakan bahwa ruang hampa itu sendiri memiliki energi. Dalam kasus ini, energi gelap memiliki tekanan negatif yang sempurna, dan persamaan keadaan energi gelap menjadi -1. Terciptalah keadaan yang sangat aneh di mana meskipun ruang mengembang, densitasnya tidak berkurang atau berubah. Namun, ini hanyalah penjelasan matematis, bukan konfirmasi atas wujud aslinya. Kita masih tidak tahu apa sebenarnya energi gelap itu, atau apakah ia benar-benar ada. Jika kita secara sederhana mengasumsikan energi vakum adalah energi gelap, maka akan muncul energi gelap yang jauh melampaui tingkat yang dibutuhkan untuk menjelaskan alam semesta. Itu bukanlah jawabannya.
Namun, penemuan tim peneliti supernova saat itu memiliki satu premis penting. Yaitu asumsi bahwa kita mengetahui dengan tepat seberapa terang supernova tipe Ia bersinar. Supernova tipe Ia adalah hasil ledakan termonuklir yang terjadi di sistem bintang yang mencakup katai putih. Katai putih adalah sisa bintang yang ditinggalkan oleh bintang bermassa mirip matahari setelah masa hidupnya berakhir. Ini adalah benda langit berdensitas tinggi dengan massa setingkat matahari yang dipadatkan seukuran Bumi. Jika katai putih tidak sendirian dan memiliki bintang pendamping di sampingnya, ia akan mengambil materi dari bintang pendamping tersebut dan menjadi lebih berat kembali. Diketahui bahwa jika katai putih menjadi lebih berat dari 1,4 kali massa matahari, yang disebut "Batas Chandrasekhar", maka pada saat itulah ledakan supernova akan terjadi.
Akan tetapi, mekanisme ledakan supernova tipe Ia kini menjadi lebih rumit dan beragam. Ledakan terjadi dengan berbagai cara, tidak hanya melalui sistem bintang ganda yang terdiri dari katai putih dan bintang biasa. Supernova tipe Ia dengan pola spektrum serupa juga dapat terjadi ketika dua katai putih bertabrakan. Dalam kasus ini, ledakan bisa dipicu oleh percikan api di permukaan katai putih sejak awal, pada massa yang lebih ringan dari batas Chandrasekhar. Kita sama sekali belum mengetahui perbandingan jenis ledakan supernova tipe Ia yang terjadi di alam semesta. Oleh karena itu, menganggap supernova tipe Ia sebagai "lilin standar" sempurna yang meledak dengan kecerahan yang sama persis bisa jadi merupakan asumsi yang salah.
Namun, kita bisa mengoreksi kecerahan asli supernova dengan mengukur seberapa cepat kecerahan meredup setelah ledakan dan seberapa merah warna yang muncul. Umumnya, supernova yang lebih terang cenderung meredup lebih lambat setelah mencapai kecerahan maksimum. Ini disebut hubungan antara lebar garis perubahan luminositas supernova dan luminositas. Astronom Robert Tripp menciptakan teknik untuk menstandarisasi kecerahan melalui pola perubahan kecerahan supernova tersebut, dan hingga kini banyak penelitian memanfaatkan persamaan koreksi yang dibuat Tripp untuk menstandarisasi supernova.
Namun, meskipun melalui koreksi ini, perbedaan tipis tetap tersisa. Salah satu contoh utamanya adalah apa yang disebut "langkah massa" (mass step) supernova. Sederhananya, ini adalah fenomena di mana perbedaan kecil pada kecerahan supernova tetap ada setelah standardisasi, tergantung pada massa galaksi tempat supernova terjadi. Umumnya, terdapat perbedaan kecil beberapa per seratus magnitudo antara supernova yang meledak di galaksi bermassa besar dan galaksi bermassa kecil. Masih belum jelas apakah perbedaan ini disebabkan oleh massa galaksi itu sendiri, kandungan logam galaksi yang berubah tergantung massa, debu yang menghalangi cahaya, atau efisiensi pembentukan bintang. Perdebatan baru-baru ini dimulai dari titik inilah.
Apa jadinya jika penyebab mass step berasal dari usia galaksi atau bintang sebelum supernova meledak (progenitor)? Jika kecerahan sesaat ledakan antara katai putih yang terbentuk dari bintang tua dan katai putih dari bintang muda sebenarnya berbeda bahkan setelah standardisasi, maka bias serius dapat terjadi saat kita mengamati alam semesta yang jauh. Melihat galaksi yang jauh berarti melihat alam semesta di masa lalu yang lebih jauh. Dengan kata lain, kita kembali ke masa ketika alam semesta masih lebih muda. Sampel supernova di alam semesta dekat memiliki banyak galaksi yang relatif tua, sementara di alam semesta yang jauh, terdapat lebih banyak galaksi yang lebih muda. Jika supernova tipe Ia yang meledak di alam semesta muda sebenarnya lebih redup bahkan setelah koreksi standardisasi, kita bisa keliru menganggap supernova tersebut tampak lebih redup karena berada lebih jauh.
Jika demikian, penemuan ekspansi percepatan yang dianggap membuat alam semesta mengembang lebih cepat dari perkiraan bisa sangat terguncang. Ini mungkin merupakan ilusi fatal yang berasal dari perbedaan kecerahan bawaan supernova berdasarkan usia galaksi dan bintang.
Pada tahun 2025, tim peneliti dari Universitas Yonsei melaporkan adanya korelasi hingga 5,5 sigma antara kecerahan supernova yang telah distandardisasi dengan usia galaksi induknya. Setiap perbedaan usia galaksi induk sekitar 1 miliar tahun, terdapat perbedaan 0,03 magnitudo. Semakin banyak supernova yang meledak di kelompok bintang muda, semakin redup supernova tersebut tampak bahkan setelah standardisasi. Jika kita membandingkan secara ekstrem alam semesta dekat dan jauh, usia galaksi induk supernova bisa berbeda lebih dari 5-6 miliar tahun. Mengingat perbedaan ini, kecerahan supernova jauh bisa tampak sekitar 0,16 magnitudo lebih redup. Meski angkanya terlihat sepele, dalam kosmologi ini adalah perbedaan yang tidak bisa diabaikan.
Dalam penelitian tindak lanjut setelahnya, setelah mengoreksi bias usia ini, mereka menggabungkan data radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik terbaru dan peta distribusi galaksi yang luas dari DESI. Hasilnya, hal ini sama sekali tidak cocok dengan model alam semesta standar yang mengasumsikan energi gelap. Perbedaannya mencapai 9 sigma. Sebaliknya, parameter q_0 yang menunjukkan apakah ekspansi alam semesta melambat/dipercepat, justru muncul sekitar 0,092, yang bernilai positif di atas 0. Jika nilai ini positif di atas 0, berarti alam semesta sedang mengalami ekspansi perlambatan. Tentu saja, margin kesalahannya masih besar, namun berdasarkan nilai tersebut, ini adalah hasil mengejutkan yang dapat diartikan bahwa alam semesta sudah memasuki periode ekspansi perlambatan. Yang penting adalah fakta bahwa tanda-tanda ekspansi percepatan alam semesta yang diketahui sebelumnya hampir menghilang.
Menanggapi hal ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Adam Riess terus memberikan bantahan keras. Dalam makalah tambahan terbaru, tim Riess mengklaim bahwa terdapat masalah pada analisis tim Universitas Yonsei. Argumen utama mereka adalah bahwa efek usia galaksi dan koreksi Mass step yang ada selama ini bukanlah efek yang saling independen. Tim Universitas Yonsei mengoreksi perbedaan berdasarkan usia galaksi, kemudian menerapkan kembali koreksi standar berdasarkan massa galaksi. Namun, karena usia dan massa galaksi saling terkait erat, sebenarnya koreksi yang sama telah dilakukan secara berlebihan sebanyak dua kali. Mereka mengklaim bahwa jika Mass step yang ada dikoreksi terlebih dahulu, tidak ada korelasi khusus antara kecerahan supernova yang distandardisasi dan usia galaksi.
Mereka juga membantah asumsi bahwa usia galaksi induk supernova jauh dan dekat berbeda 5 miliar tahun. Mereka menunjukkan bahwa asumsi seperti itu 3 hingga 5 kali lipat lebih berlebihan daripada perbedaan usia yang sebenarnya. Tim Universitas Yonsei tidak secara ketat menggunakan usia galaksi induk yang membentuk supernova tersebut, melainkan menggunakan usia galaksi tempat supernova itu berada. Ini adalah kompromi yang tidak terelakkan karena keterbatasan observasi, namun ini juga merupakan batasan penting karena usia seluruh galaksi tidak bisa disamakan dengan usia galaksi induk supernova yang sebenarnya meledak.
Untuk mengonfirmasi masalah ini lebih lanjut, tim peneliti gabungan Riess dan Murakami menganalisis sejarah pembentukan bintang dari sekitar 7.000 galaksi tempat ledakan supernova terkonfirmasi. Hasilnya, usia rata-rata galaksi induk supernova tipe Ia adalah 3,5 miliar tahun. Namun, perbedaan usia galaksi induk yang berubah seiring waktu kosmik hanyalah sekitar 1,5 miliar tahun. Dengan perbedaan usia yang sesingkat itu, perbedaan kecerahan antara supernova jauh dan dekat hanya berkisar 0,007 magnitudo. Ini menghilang ke tingkat yang tidak berpengaruh signifikan dalam rentang margin kesalahan.
Namun, perjuangan tidak berakhir di sini. Tim Universitas Yonsei menunjukkan bahwa hasil kerja Wiseman yang meneliti bersama Riess menganalisis galaksi dengan rentang redshift yang terlalu luas secara bersamaan, sehingga secara sengaja membuat korelasi antara usia dan kecerahan menjadi datar. Mereka juga menunjukkan adanya masalah pada model debu galaksi yang digunakan saat mengoreksi mass step. Bantahan dan bantahan balik, serta bantahan balik lainnya terus berlangsung tanpa henti.
Namun, saat data luas dari DESI yang mengamati 14 juta galaksi dan kuasar selama 3 tahun terakhir dirilis, pertarungan ini memasuki fase baru. Jika menggabungkan hasil pengamatan DESI dengan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik saja, energi gelap tampak berubah seiring waktu, bukan konstanta kosmologis konstan seperti model standar sebelumnya. Hasilnya sangat bervariasi tergantung pada metode standardisasi supernova mana yang diterapkan, apakah metode Riess atau tim Universitas Yonsei. Tim DESI masih berhati-hati. Mereka tidak serta merta mengklaim bahwa energi gelap tidak ada dan alam semesta sedang mengalami ekspansi perlambatan, tetapi mereka bertaruh pada kemungkinan yang hati-hati bahwa energi gelap mungkin merupakan besaran fisik yang berubah seiring waktu, bukan konstanta kosmologis yang selalu tetap.
Di sini muncul pula argumen matematis bahwa energi gelap mungkin tidak diperlukan sejak awal. Dengan menggunakan persamaan Friedmann yang menjelaskan ekspansi dan keadaan alam semesta, mereka menemukan solusi baru bahwa alam semesta bisa menjadi tidak stabil hanya dengan perturbasi yang sangat kecil. Kosmologi standar mengasumsikan bahwa pada skala besar, alam semesta homogen dan identik ke segala arah. Ini disebut prinsip kosmologis. Jika asumsi ini diterapkan, ekspansi rata-rata alam semesta dapat dijelaskan dengan persamaan Friedmann yang sederhana. Namun, alam semesta yang sebenarnya tidak sepenuhnya homogen. Terdapat gugus super galaksi tempat galaksi-galaksi berkumpul, dan terdapat pula "void" (ruang kosong) di mana hampir tidak ada materi.
Menurut analisis ini, solusi Friedmann sebenarnya seperti keadaan paling ideal dan tidak stabil di mana pensil didirikan di ujungnya yang tajam. Secara matematis dimungkinkan, tetapi realitasnya rendah. Bahkan tiupan napas kecil pun akan membuat pensil itu jatuh. Demikian pula, jika ada fluktuasi densitas kecil di alam semesta awal, solusi yang mengembang lebih cepat akan muncul secara alami dari alam semesta Friedmann yang homogen. Mereka menunjukkan bahwa fenomena yang mirip dengan percepatan ekspansi dapat terjadi dalam kerangka persamaan asli Einstein tanpa harus menambahkan elemen baru seperti konstanta kosmologis atau energi gelap.
Tentu saja, ini tidak langsung mendukung argumen tim Universitas Yonsei. Secara permukaan, kedua penelitian sama-sama mempertanyakan energi gelap melalui observasi dan teori. Namun, tim Universitas Yonsei mempertanyakan koreksi kecerahan supernova dan mengklaim bahwa percepatan ekspansi itu sendiri mungkin merupakan ilusi. Sebaliknya, analisis teoritis terbaru tidak menyangkal percepatan ekspansi. Mereka setuju dengan adanya percepatan ekspansi. Hanya saja, mereka mengklaim tidak perlu berasumsi adanya energi gelap untuk menjelaskan percepatan ekspansi tersebut.
Tim peneliti Universitas Yonsei yang meragukan percepatan ekspansi itu sendiri, dan kemungkinan teoritis yang mengakui adanya percepatan ekspansi namun berpendapat bahwa energi gelap belum tentu diperlukan. Pertarungan para astronom dan fisikawan yang membicarakan nasib alam semesta kini menjadi semakin rumit dan membingungkan.
Masalah ini tampaknya akan menghadapi fase baru melalui lebih banyak observasi di masa depan. Pada tanggal 30 Juni lalu, Observatorium Vera Rubin di Chili secara resmi memulai pengamatan LSST yang akan berlangsung selama 10 tahun ke depan. Mereka berencana untuk mengamankan data yang terkait dengan 10 juta supernova selama 10 tahun sambil terus memindai langit belahan bumi selatan setiap beberapa hari tanpa henti. Mereka akan memperoleh data terbanyak yang melampaui semua penelitian supernova yang pernah ada.
Selain itu, pengamatan oleh teleskop luar angkasa baru yang diluncurkan pada 30 Agustus lalu, Nancy Grace Roman, juga akan memberikan petunjuk baru bagi kosmologi supernova. Teleskop ini akan mengamati supernova tipe Ia secara seragam dalam rentang waktu yang paling luas, jauh di alam semesta, terbebas dari gangguan atmosfer Bumi.
Saya berharap setidaknya dalam 10 hingga 20 tahun ke depan, kesimpulan dari pertarungan sengit ini akan perlahan-lahan terungkap.
Siapakah penulis Ji Ung-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, setelah menonton ‘Galaxy Express 999’, ia bermimpi untuk menyebarluaskan keindahan alam semesta. Saat ini, ia menjadi asisten profesor di Fakultas Studi Liberal Universitas Sejong, melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti kuliah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti ‘Mengenai Ketidakbergunaan Astronom’, ‘Kita Semua Terlahir sebagai Astronom’, dan ‘Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta’, serta menerjemahkan buku seperti ‘Bagaimana Saya Membunuh Pluto’, ‘Quantum Life’, dan ‘UFO’.