SEBERAPA LUAS SIH ALAM SEMESTA ITU?
Seperti yang kita ketahui, semua ruang di alam semesta berawal dari luas yang kecil, dan temperatur partikel dalam ruang itu sangat tinggi. Namun, seiring waktu, alam semesta meluas dan mendingin ke temperatur yang lebih rendah, akhirnya pada temperatur dan ukuran yang kita lihat di masa kini. Berapa besar temperatur dan ukuran yang kita lihat saat ini? Hal ini akan dibahas di artikel ini. Dalam diskusi yang saya lakukan dengan teman-teman kuliah di Pasca Sarjana Universitas Negeri Surabaya saat mengikuti mata kuliah IPBA (Ilmu Pengetahuan Bumi dan Antariksa) dan setelah membaca beberapa literatur, ternyata banyak terjadi miskonsepsi tentang jagat raya yang mengembang (teori big bang). Beberapa miskonsepsi tersebut akan dibahas di artikel ini.
Dalam artikel ini, saya menghindari penggunaan matematis yang rumit (misalnya untuk teori relativitas umum yang mendasari teori big bang) dikarenakan kesulitan yang saya alami karena keterbatasan kemampuan matematis saya.
2. LUAS ALAM SEMESTA (ALAM SEMESTA YANG MENGEMBANG)
yang jauh, selain galaksi tetangga dekat kita, kita menemukan fakta yang mencenangkan: semua galaksi itu bergerak menjauh (resesi = mundur) dari kita1. Pada tahun 1929, Edwin P. Hubble menemukan sebuah koneksi antara laju kemunduran v yang nyata dari sebuah galaksi dan jarak r dari galaksi itu terhadap kita, yaitu2:
v = Hr (hukum Hubble) (1)
dengan H disebut sebagai konstanta Hubble. Nilai H biasanya diukur dalam kilometer persekon-mega parsec (km/s.Mpc), dengan megaparsec adalah satuan panjang yang biasa digunakan dalam bidang astronomi:
1 Mpc = 3,084 x 1019 km = 3,260 x 106 tahun cahaya. (2) Konstanta Hubble H tidak memiliki nilai yang sama sejak alam semesta dimulai. Menentukan nilai saat ini sangat sulit karena melibatkan pengukuran galaksi yang sangat jauh. Nilai H yang diterima saat ini adalah3:
H = 71,0 km/s . Mpc = 21,8 mm/s . tahun-cahaya (3) Kita menafsirkan mundurnya (resesi) galaksi berarti alam semesta meluas, seperti kismis pada adonan yang akan menjadi sepotong roti kismis akan bergerak semakin menjauh seiring adonan itu mengembang. Pengamat pada semua galaksi lain akan menemukan bahwa galaksi yang jauh dari mereka juga menjauh, sesuai dengan hukum Hubble. Mengikuti analogi ini, kita mengatakan bahwa tidak ada kismis (galaksi) yang memiliki pandangan yang unik atau lebih disukai.
Gambar 1. Analogi alam semesta dengan roti kismis yang dibakar.
1 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc. Halaman
1356.
Roti kismis yang kita kenal pada awalnya merupakan segumpal adonan plus kismis di dalamnya. Saat dibakar adonan itu akan mengembang dan kismis – kismis di dalamnya akan menjauh satu sama lainnya. Tapi, kismis-kismis
tersebut tidak “bergerak dan berjalan-jalan untuk saling menjauhi mencari posisi
baru”. Yang mengembang adalah adonan, dan saat adonan mengembang kismis -kismis tadi posisinya pun ikut berubah dari yang berada dekat satu sama lainnya jadi saling menjauhi. Itulah yang terjadi di alam semesta. Adonan roti tersebut melambangkan ruang waktu seperti halnya alam semesta4.
Hukum Hubble konsisten dengan hipotesis bahwa alam semesta dimulai dengan dentuman besar (big bang) dan telah berkembang sejak itu. Jika kita asumsikan bahwa tingkat ekspansinya telah konstan (artinya, nilai H telah konstan), maka kita dapat memperkirakan umur T alam semesta dengan menggunakan Pers. 1. Marilah kita juga menganggap bahwa sejak dentuman besar, setiap bagian dari alam semesta (misalkan, sebuah galaksi) telah mundur dari lokasi kita pada kecepatan v yang diberikan oleh Pers. 1. Maka waktu yang dibutuhkan bagian tertentu untuk mundur dengan jarak r adalah5
(estimasi umur alam semesta) (4) Untuk nilai H di Pers. 3, ternyata T adalah 13,8 x 109 tahun. Studi-studi yang lebih rumit tentang mengembangnya alam semesta menetapkan T pada 13,7 x 109 tahun.
Dentuman Besar (The Big Bang)
Anda harus tidak membayangkan bahwa dentuman besar adalah seperti ledakan suatu petasan raksasa dan bahwa, setidaknya pada prinsipnya, anda bisa
berdiri di salah satu sisinya dan menyaksikan. Tidak ada “salah satu sisi” karena
dentuman besar merupakan awal dari ruang-waktu itu sendiri. Dari sudut
4
http://langitselatan.com/2014/04/08/mengapa-pemuaian-alam-semesta-melebihi-kecepatan-cahaya/
5 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc. Halaman
pandang alam semesta kita sekarang, tidak ada posisi di ruang angkasa yang bisa
menjadi tempat anda menunjuk dan berkata “dentuman besar terjadi di sana”.
Kejadian itu terjadi di semua tempat yang ada6.
Selain itu, tidak ada “sebelum dentuman besar” karena waktu dimulai olah
peristiwa penciptaan ini. Dalam konteks ini, kata “sebelum” kehilangan
maknanya. Meski demikian kita dapat menduga tentang apa yang terjadi selama interval waktu yang berurutan setelah dentuman besar7.
t ≈ 10-43 s. Ini adalah waktu paling awal untuk kita dapat mengatakan sesuatu
yang berarti tentang perkembangan alam semesta. Ini adalah saat ketika konsep ruang dan waktu mulai memiliki makna seperti sekarang dan hukum-hukum fisika seperti yang kita tahu mulai berlaku. Pada saat ini, seluruh alam semesta (artinya, seluruh batas spasial alam semesta) jauh lebih kecil dari proton dan suhunya sekitar 1032 K.
t ≈ 10-34 s. Pada saat ini, alam semesta telah mengalami inflasi sangat cepat,
bertambah ukuran dengan faktor sekitar 1030. Alam semesta telah menjadi sup panas foton, kuark, dan lepton pada temperatur 1027 K, yang terlalu panas untuk pembentukan proton dan neutron.
t ≈ 10-4 s. Kuark-kuark sekarang dapat menggabungkan diri untuk membentuk
proton dan neutron dan antipartikelnya. Alam semesta kini telah mendingin sedemikian rupa oleh ekspansi berkelanjutan (tapi jauh lebih lambat) sehingga foton kekurangan energi yang diperlukan untuk menguraikan partikel-partikel baru itu. Partikel dan antipartikel bertabrakan dan memusnahkan satu sama lainnya. Ada sedikit kelebihan materi yang, karena gagal menemukan mitra pemusnahan, bertahan untuk membentuk dunia materi yang kita kenal sekarang.
t≈ 1 menit. Alam semesta kini telah cukup dingin, sehingga proton dan neutron,
ketika bertabrakan, bisa tetap melekat bersama untuk membentuk nukleus rendah-massa 2H, 3He, 4He dan 7Li. Kelimpahan relatif nuklida yang
6 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc. Halaman
1359.
7 Ibid. Halaman 1359-1360. Dapat juga dilihat di Walker, Fisika Dasar Edisi 7 Jilid 3. Jakarta:
diprediksi ini adalah seperti yang kita amati di alam semesta ini. Juga ada banyak radiasi di t≈ 1 menit, tetapi cahaya ini tidak dapat berpergian jauh tanpa berinteraksi dengan nukleus. Dengan demikian alam semesta bersifat buram (opaque).
t≈ 379000 tahun. Temperatur sekarang telah turun jauh ke 2970 K, dan elektron
dapat menempel ke nukleus telanjang ketika keduanya berbenturan, dan membentuk atom. Karena cahaya tidak berinteraksi dengan baik terhadap partikel (tak bermuatan) seperti atom netral, sekarang cahaya bebas untuk menempuh perjalanan jarak jauh. Radiasi ini membentuk radiasi latar belakang kosmik (gambar 2). Atom hidrogen dan helium, di bawah pengaruh gravitasi, mulai mengumpul serta memulai pembentukan galaksi dan bintang-bintang, tetapi hingga kemudian, alam semesta relatif gelap.
Berkas-berkas cahaya dari berbagai kumpulan atom membentang di sepanjang
“langit”, tetapi galaksi, bintang, dan planet belum terbentuk8.
Gambar 3. Sebuah ilustrasi dari alam semesta dari fluktuasi kuantum awal sejak
t = 0 (sisi kiri) hingga sekarang (ekspansi yang dipercepat). Jangan melihat ilustrasi secara literal-di sini tidak ada “penglihatan luar” dari alam semesta karena tidak ada bagian luar dari alam semesta9.
Pengukuran awal menunjukkan bahwa radiasi latar-belakang kosmik adalah seragam ke segala arah, menyiratkan bahwa pada 379000 tahun setelah dentuman besar ini semua materi di alam semesta terdistribusi secara merata. Temuan ini paling membingungkan karena materi di alam semesta ini tidak terdistribusi secara merata, melainkan terkumpul berupa galaksi, kelompok galaksi dan super klaster dari klaster-klaster galaksi. Pada tahun 2003, pengukuran oleh Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) milik NASA mendukung kesimpulan kita tentang ketidak seragaman radiasi
8 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc. Halaman
1360.
belakang kosmik (gambar 2). Seperti yang terlihat pada gambar 2 dari variasi warnanya, pengumpulan skala besar dari materi sudah dimulai. Dengan demikian, teori dentuman besar dan teori inflasi pada t≈ 10-34 s pada prinsipnya,
berada di jalur yang benar10.
Proses-proses Fisis dalam Alam Semesta Mengembang11
a. Temperatur tertinggi yang terpikirkan. Energi tertinggi partikel yang dapat kita pikirkan adalah energi ketika gravitasi sekuat gaya-gaya lain. Energi ini dikenal sebagai energi Planck yang besarnya Ep ≈ 1,22 x 1019 GeV (1 GeV = 1,609 x 10-10 J) yang setara dengan massa Planck sekitar 1019 massa proton (massa Planck 2,17645 × 10−8 kg, panjang Planck 1,616252×10−35 m, waktu Planck 5,39121 × 10−44 s. Pada skala ini, deskripsi yang ada dan teori interaksi sub-atom partikel dalam hal teori medan kuantum rusak dan menjadi tidak memadai, karena dampak jelas dari non-renormalizability gravitasi dalam teori saat ini. Pada skala Planck, gaya gravitasi diharapkan menjadi sebanding dengan gaya lain, dan menurut teori bahwa semua gaya dasar disatukan pada skala itu, tetapi mekanisme yang tepat dari penyatuan ini masih belum diketahui12). Gaya gravitasi diharapkan dihantar oleh boson tak bermassa graviton (sampai sekarang belum ditemukan) berada dalam keadaan kesetimbangan termal, dan temperatur pada saat itu adalah sebesar
≈ 1032K. Semua ini berlangsung ketika usia jagat raya ≈ 5,38 x 10-44 sekon. Waktu ini dihitung dari waktu nol, saat dentuman besar.
b. Gravitasi terpisah. Mulanya empat gaya (gaya gravitasi, gaya nuklir kuat, gaya nuklir lemah, gaya elektromagnetik) bersatu kemudian gravitasi terpisah. Ketiga gaya lainnya bersatu pada energi EGUT ≈ 1016 GeV. Unifikasi (penyatuan besar) ini terjadi pada temperatur TGUT ≈ 1029 K dan temperatur ini tercapai pada waktu ekspansi tGUT ≈ 10-38 sekon. Pada saat itu alam semesta tersusun dari enam tipe kuark (up, charm, top, down, strange,
10 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc.
Halaman 1360.
beauty) dan anti kuark, enam lepton (elektron, muon, tau, elektron neutrino, muon neutrino dan tau neutrino) dan anti lepton. Semua tercipta banyak sekali dan saling berinteraksi satu dengan yang lainnya melalui pertukaran gluon, foton dan boson W dan Z. Keadaan hipotesis ini dinamakan sup kuark-lepton.
c. Gaya kuat terpisah. Gaya elektromagnetik dan gaya lemah bersatu pada energi EEW ≈ 100 GeV. Energi ini setara dengan temperatur TEW ≈ 1015 K. Temperatur ini tercapai pada waktu ekspansi tEW ≈ 10-11 sekon. Penemuan mekanisme unifikasi mempengaruhi pemahaman kita secara radikal tentang alam semesta pada temperatur di atas 1015 K. Kerapatan energi radiasi ≈ 1,88 x 1025 kg.m-3 sedangkan rapat massa inti 1,78 x 1018 kg.m-3. Kerapatan energi alam semesta lebih besar 7 orde dari kerapatan inti atom.
d. Kondensasi Kuark. Hadron seperti proton dan neutron terbentuk di masa sangat awal alam semesta pada energi Ehad ≈ 1 GeV. Energi ini menandai batas pendekatan yang mana fisika fundamental diketahui. Energi ini terkait dengan temperatur Thad ≈ 1013 K dan temperatur ini tercapai pada waktu ekspansi thad ≈ 10-6 sekon. Kerapatan energi alam semesta pada saat ini sekitar kerapatan massa-energi di dalam nukleus. Antikuark telah dianihilisasi dan kuark berat (strage, charm, beauty, top) telah meluruh. Sisa kuark up dan down bergabung dalam proton dan neutron.
e. Kesetimbangan Termal Foton, Elektron dan Neutrino. Energi radiasi ≈ 20 MeV yang setara dengan temperatur ≈ 1011 K. Temperatur ini terjadi pada waktu ekspansi ≈ 10-2 sekon. Kerapatan energi didominasi oleh radiasi. Elektron-positron berada dalam kesetimbangan dengan radiasi (γ↔ e- + e+). Kesetimbangan dimungkinkan karena energi foton rata-rata lebih besar daripada energi massa elektron-positron. Inti tidak terbentuk karena energi foton lebih besar daripada energi ikat inti. Nukleon memainkan peran dalam mengkonversi elektron dan positron ke dalam neutrino dan antineutrino. Neutroino dan antineutrino juga dalam kesetimbangan melalui interaksi
yang mungkin terjadi karena energi elektron dan positron lebih besar daripada perbedaan massa neutron-proton. Dengan demikian jagat raya terdiri dari foton, elektron, positron, neutrino, antineutrino, proton dan neutron.
f. Pembekuan neutrino. Neutrino tidak lagi dalam jumlah besar dan hancur pada temperatur ≈ 1010 K terkait dengan energi Ev≈ 2 MeV dan berlangsung pada waktu ekspansi tv ≈ 1 sekon. Kerapatan energi turun pada nilai 1,88 x 105 kg.m-3 sekitar kerapatan massa air. Neutrino lepas dari kesetimbangan termal karena alam semesta mengembang sedemikian sehingga kerapatan partikel sangat rendah untuk mendorong interaksi lemah (gaya lemah) yang mencipta dan memusnahkan neutrino. Selama neutrino lepas dari kesetimbangan, lebih bnyak neutron berkonversi menjadi proton ketimbang sebaliknya karena neutron mempunyai massa lebih besar daropada proton. Proses e+ + n ↔ ῡe + p terjadi dengan probabilitas lebih besar daripada
proses e++ n ↔ ῡe + p . Hal ini menghasilkan proton tiga kali lebih banyak
daripada neutron. Ketidakseimbangan proton-neutron ini telah menuntun pada jumlah hidrogen lebih banyak daripada helium pada alam semesta sekarang. Neutrino tidak berinteraksi selama alam semesta mengembang berikutnya hingga hari ini. Neutrino kosmik ini belum terdeteksi.
g. Sintesis inti ringan. Tahap awal produksi nuklei adalah pembentukan deuterum melalui fusi dua proton p + p → d + e+ + ve. Reaksi fusi proton
dapat terjadi hanya jika proton cukup energetik untuk mengatasi tolakan listrik dan jika kerapatan cukup besar untuk membuat laju reaksi signifikan. Deuterium mungkin dipisah oleh foton energetik melalui proses γ + d → n + p. Dengan demikian nuklei hanya dapat dibuat dalam rentang waktu pendek jika alam semesta cukup panas dan padat bagi fusi proton tetapi tidak terlalu panas sehingga deuterium terpisah oleh disintegrasi-foton. Kondisi ini
terjadi pada temperatur ≈ 109 K yang terkait dengan energi ≈ 100 keV dan
berlangsung pada waktu ekspansi ≈ 100 s. Pada masa ini partikel α (inti
terhalangi karena tidak terdapat nukleus stabil dengan nomor atom lima. Era ini dikenal sebagai era nukleosintesis.
h. Transisi Radiasi Materi. Pada saat ini temperatur alam semesta mencapai ≈
8175 K yaitu pada waktu ekspansi ≈ 1012s ≈ 105 tahun. Kerapatan radiasi
menurun dan sama dengan kerapatan materi sebesar ≈ 2,78 x 10-20 kg.m-3. Sebelum ini radiasi lebih dominan daripada materi, setelah masa ini sebaliknya materi lebih dominan daripada radiasi. Karena itu, sejak saat ini dinamika alam semesta ditentukan oleh energi materi dan vakum.
i. Pembentukan atom. Ketika alam semesta telah mengembang dan mendingin
sampai pada temperatur ≈ 3000 K maka foton tidak cukup energetik untuk
membelah atom. Temperatur ini terkait energi atom ≈ 1 eVdan waktu ekspansi ≈ 1,41 x 105 tahun. Pada waktu ini atom-atom terbentuk dan alam semesta dipenuhi oleh atom hidrogen, helium, foton, neutrino dan antineutrino. Pada saat ini radiasi juga telah mendingin dan foton tidak lagi mendominasi kerapatan alam semesta. Rasio foton-baryon telah tetap sebagaimana tidak ada lagi spesies partikel tercipta atau musnah. Panjang gelombang foton bertambah sesuai ekspansi alam semesta sedangkan massa
diam baryon tidak berubah. Kerapatan energi materi ≈ 10-21 kg.m-3 dan
kerapatan materi ≈ 4 x 10-19 kg.m-3. Sejak masa ini, foton-foton bergerak bebas dan tidak ada elektron bebas yang menghambur Compton-kan mereka. Foton bergerak bebas dan hanya berinteraksi dengan gravitasi (kurvatur ruang-waktu) dari alam semesta, dan menyebar ke seluruh ruang dan sekarang kita kenal sebagai radiasi latar belakang kosmik (gambar 2). Periode ini dikenal dengan sebagai era rekombinasi.
Perluasan yang Dipercepat dari Alam Semesta13
Bintik-bintik yang kita lihat di dalam gambar 2 merupakan sumber asli dari radiasi latar-belakang kosmik, dan distribusi sudut dari bintik-bintik itu mengungkapkan kelengkungan alam semesta yang perlu dilalui oleh cahaya untuk mencapai kita. Analisis terhadap distribusi bintik pada gambar WMAP menunjukkan bahwa alam semesta adalah datar (tidak memiliki kelengkungan). Dengan demikian, kelengkungan awal yang diduga dari alam semesta pada masa awalnya itu haruslah telah diratakan oleh perluasan yang cepat dari alam semesta pada t≈ 10-34 s.
Kerataan ini menimbulkan masalah yang sangat sulit bagi fisikawan karena mensyaratkan bahwa alam semesta mengandung sejumlah energi (berupa massa atau lainnya). Masalahnya adalah bahwa semua estimasi jumlah energi di alam semesta (baik dalam wujud yang dikenal dan dalam wujud materi gelap dari jenis tak diketahui) memiliki jumlah yang kurang secara dramatis daripada jumlah yang dibutuhkan. Memang, sekitar dua pertiga dari energi yang dibutuhkan itu hilang dari estimasi-estimasi tersebut (gambar 4).
Salah satu teori yang dikemukakan tentang energi hilang ini memberinya nama energi gelap (dark energy) dan memprediksikan adanya ciri aneh padanya yang menyebabkan perluasan alam semesta semakin cepat. Pada tahun 1998, kemajuan teknologi astronomi memungkinkan para astronom untuk mendeteksi jenis tertentu supernova pada jarak yang sangat jauh. Para astronom dapat mengukur durasi ledakan dari supernova tersebut. Durasi itu mengungkapkan kecerahan supernova. Dengan mengukur kecerahan supernova para astronom dapat menentukan jarak ke supernova tersebut. Dengan pergeseran merah pada cahaya dari galaksi yang mengandung supernova, para astronom dapat menentukan seberapa cepat galaksi itu mundur dari kita. Menggabungkan semua informasi ini, mereka kemudian bisa menghitung tingkat perluasan alam semesta. Kesimpulannya adalah bahwa perluasan tersebut memang semakin
13 Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc.
cepat seperti yang diperkirakan oleh teori energi gelap. Namun, kita masih jarang memiliki petunjuk mengenai apa sebenarnya energi gelap ini.
Gambar 4. Komposisi alam semesta14. Pada 1 Desember 2014, pada pertemuan
the Planck 2014 di Ferrara, Italy, astronom melaporkan bahwa alam semesta adalah berumur 13,8 milyar tahun dan tersusun dari 4,9% materi atom, 26,6% materi gelap and 68,5% energi gelap15.
Luas Alam Semesta Sekarang
Hari ini diameter alam semesta yang teramati diperkirakan 28 miliar parsecs (sekitar 93 miliar tahun cahaya, satu detik cahaya = 299.792.458 meter, satu tahun cahaya sama dengan 9.460.730.472.580,8 kilometer, atau sering dibulatkan menjadi 1012 kilometer). Diameter ini meningkat dengan laju sekitar 1,96 x 106 km/s, yaitu sekitar 6,5 kali lebih cepat dari kecepatan cahaya di ruang hampa. Usia alam semesta yang sangat besar ini diperkirakan 13,73 milyar tahun sejak Big Bang, dengan ketidakpastian sekitar 120 juta tahun16. Jika kita perhatikan data tersebut, menurut logika kita jika umur alam semesta 13,73 milyar tahun maka jari-jari alam semesta 13,73 milyar tahun cahaya (diameter 27,46 milyar tahun cahaya) yang mana nilai ini lebih kecil dari nilai yang teramati, apakah berarti ini melanggar relativitas Einstein bahwa tidak ada materi
14 http://www.abovetopsecret.com/forum/thread928635/pg1 15 http://en.wikipedia.org/wiki/Universe
yang dapat melampaui cepat rambat cahaya di ruang hampa? Jawaban ini akan dibahas pada bagian miskonsepsi.
Gambar 5. Jarak radiasi latar belakang kosmik yang teramati adalah sekitar 46 milyar tahun cahaya dari bumi, ini berarti diameter alam semesta sekitar 92 milyar tahun cahaya17.
Kemungkinan ada lebih 100 milyar (1011) galaksi di alam semesta yang teramati. Galaksi ukurannya berkisar tipe kerdil (dwarf) dengan paling sedikit (107) bintang hingga tipe raksasa (giant) dengan satu trilliun (1012) bintang,
17
semuanya mengorbit pusat massa galaksi. Tahun 2010, sebuah studi oleh astronom diperkirakan bahwa alam semesta yang dapat diamati mengandung 300 sextillion (3×1023) bintang. Massa jenis alam semesta sangat kecil sekitar 9,9 × 10−30 gram per sentimeter kubik dengan temperatur rata-rata 2,725 kelvin18.
Gambar 6. Simulasi penampakan alam semesta yang mirip jaring laba-laba19.
18 http://en.wikipedia.org/wiki/Universe
Gambar 7. Alamat kita. Kita berada di planet bumi, tata surya, galaksi bima sakti, grup lokal, superkluster lokal, alam semesta20.
3. MISKONSEPSI
3.1Miskonsepsi 1: Big bang itu seperti bom meledak di lokasi tertentu dalam ruang yang sebelumnya kosong21.
Salah: dalam pandangan ini, alam semesta muncul ketika materi meledak keluar dari beberapa lokasi tertentu. Tekanan itu tertinggi di pusat dan terendah di kekosongan sekitarnya; Perbedaan tekanan ini mendorong bahan luar.
Gambar 8. Gambaran yang salah: big bang merupakan ledakan pada suatu ruang.
20 http://astronomy.nmsu.edu/aruiter/ASTRONOMY110/scale.jpg
Benar: big bang adalah ledakan ruang itu sendiri. Ruang kita tinggal adalah berkembang dengan sendirinya. Tidak ada pusat ledakan ini (big bang tidak punya pusat); itu terjadi di mana-mana. Kepadatan dan tekanan yang sama di mana-mana, jadi tidak ada perbedaan tekanan untuk mendorong ledakan konvensional. Demikian pula, big bang terjadi di mana-mana-di ruang di mana Anda membaca artikel ini, di tempat hanya di sebelah kiri Alpha Centauri, di mana-mana. Itu bukan bom meledak di tempat tertentu yang kita dapat mengidentifikasi sebagai pusat ledakan. Demikian juga, dalam analogi roti kismis, tidak ada tempat khusus pada permukaan roti yang merupakan pusat ekspansi.
Gambar 9. Alam semesta mengembang. Yang mengembang adalah ruang, bukan jarak antar bintang dalam galaksi, bukan pula jarak antar planet. 3.2Miskonsepsi 2: Kecepatan mundur (resesi) tidak dapat melampaui besar
kecepatan cahaya.
Salah: kecepatan resesi galaksi tidak dapat melampaui kecepatan cahaya. Benar: kecepatan resesi galaksi melampaui besar kecepatan cahaya.
Dalam memperluas ruang, kecepatan resesi terus meningkat dengan jarak. Di luar jarak tertentu, yang dikenal sebagai jarak Hubble (13,8 milyar tahun cahaya), melebihi kecepatan cahaya. Ini bukan pelanggaran relativitas, karena kecepatan resesi disebabkan bukan oleh gerak melalui ruang tetapi dengan perluasan ruang22.
Kembali ko roti kismis. Seandainya ada kumbang di roti tersebut yang bergerak menuju salah satu kismis di roti, ia akan bergerak relatif terhadap adonan dan kismis lainnya di dalam adonan roti itu. Di alam semesta, si kumbang merupakan partikel, wahana antariksa atau apapun benda yang
bergerak di dalamnya. Kecepatan cahaya membatasi gerak kumbang dalam adonan atau pengamat dan benda lainnya di alam semesta tapi, tidak membatasi seberapa cepat laju pemuaian roti atau alam semesta. Jadi meskipun kecepatan cahaya bisa menjadi batas maksimal gerak sebuah benda di alam semesta, ia bukan batasan bagi pemuaian ruang itu sendiri. Efek dari kecepatan cahaya pada pengamat di dalam alam semesta yang memuai adalah ia membatasi seberapa banyak informasi yang bisa dilihat dan seberapa cepat kita bergerak23.
3.3Miskonsepsi 3: dapatkah kita melihat galaksi yang kecepatan resesinya melampaui besar kecepatan cahaya?
Salah: Tentu saja tidak. Cahaya dari galaksi tidak pernah mencapai kita. Benar: Tentu kita bisa, karena perubahan kecepatan ekspansi dari waktu ke waktu.
Gambar 10. Jarak Hubble yang tidak konstan.
Foton awalnya tidak dapat mendekati kita. Tapi jarak Hubble (lingkaran di gambar 10) tidak konstan; ia meningkat dan dapat membesar untuk
23
mencakup foton. Setelah itu terjadi, foton mendekati kita dan akhirnya mencapai kita24.
3.4Miskonsepsi 4: mengapa ada pergeseran merah kosmik?
Salah: Karena galaksi bergerak mundur (menjauh) melalui ruang dan menunjukkan pergeseran Doppler.
Dalam efek Doppler, gerakan galaksi menjauh dari pengamat membuat panjang gelombang cahaya lebih panjang, membuat mereka lebih merah. Panjang gelombang cahaya merah tadi tetap sama selama perjalanannya melalui ruang. Pengamat mendeteksi cahaya, mengukur pergeseran merah Doppler dan menghitung kecepatan galaksi (gambar 11 kiri).
Benar: karena mengembangnya alam semesta membuat panjang gelombang cahaya makin panjang selama cahaya merambat.
Galaksi sulit bergerak melalui ruang (yang mengembang ruangnya), sehingga mereka memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang sama hampir ke segala arah. Panjang gelombang akan lebih lama selama perjalanan, karena ruang mengembang. Dengan demikian, cahaya secara bertahap memerah. Nilai pergeseran merah ini berbeda dari pergeseran merah yang oleh Doppler akan dihasilkan (gambar 11 kanan)
Gambar 11. Mekanisme pergeseran merah kosmik. Kiri mekanisme yang salah, kanan mekanisme yang benar25.
3.5Miskonsepsi 5: seberapa luas alam semesta yang dapat diamati?
Salah: Karena umur alam semesta hampir 14 milyar tahun, maka jari-jari alam semesta yang dapat diamati 14 milyar tahun cahaya.
Karena yang dapat kita amati adalah foton (cahaya) yang muncul 14 milyar tahun lalu setelah big bang. Foton inilah yang paling jauh dapat kita amati, karena umur alam semesta 14 milyar tahun, jadi foton tersebut menempuh jarak 14 milyar tahun cahaya untuk sampai ke kita (gambar 12 kiri).
Benar: karena alam semesta mengembang, bagian dari alam semesta yang dapat kita amati bisa berjarak lebih dari 14 milyar tahun cahaya.
Gambar 12. Ukuran alam semesta sekarang. Kiri (salah) dan kanan (benar) Sebagaimana foton berjalan, ruang yang dilintasi mengembang. Pada saat foton mencapai kita, total jarak ke galaksi yang mana foton berasal lebih besar dari perhitungan sederhana berdasarkan waktu tempuh, implikasinya bisa sekitar tiga kali lebih besar (gambar 12 kanan)26. Hal ini seperti yang kita bahas pada halaman 12-13.
3.6Miskonsepsi 6: apakah benda-benda di alam semesta juga mengembang? Salah: ya, ekspansi membuat alam semesta dan apa yang ada di dalamnya mengembang.
Perhatikan galaksi dalam sebuah kluster. Sebagaimana alam semesta akan lebih besar, begitu juga galaksi dan kluster keseluruhan juga mengembang. Tepi kluster (garis kuning) bergerak ke luar.
Gambar 13. Karena alam semesta mengembang, galaksi juga ikut mengembang.
Benar: Tidak, alam semesta memang mengembang, tetapi benda-benda yang koheren di dalamnya tidak.
Galaksi tetangga awalnya mendapatkan ditarik terpisah, tapi akhirnya gravitasi mereka saling mengalahkan ekspansi. Sebuah bentuk kluster menjadi ke dalam ukuran keseimbangan.
Gambar 14. Alam semesta mengembang, tetapi galaksi tidak27.
Orang sering berasumsi bahwa sebagaimana ruang mengembang, segala sesuatu di dalamnya mengembang juga. Tapi ini tidak benar. Ekspansi dengan sendirinya-yaitu, ekspansi yang mempercepat atau melambat-tidak
menghasilkan gaya. Panjang gelombang foton ikut berkembang sebagaimana alam semesta karena, tidak seperti atom dan kota, foton tidak koheren dengan benda yang ukurannya telah ditetapkan oleh kompromi antara gaya-gaya. Tingkat perubahan ekspansi tidak menambah gaya baru ke dalam campuran, tapi bahkan gaya baru (jika ada) ini tidak membuat benda mengembang28.
4. KESIMPULAN
Beberapa yang dapat kita simpulkan: 1. Alam semesta mengembang.
2. Luas alam semesta yang dapat kita amati diameternya 93 milyar tahun cahaya
3. Beberapa miskonsepsi tentang big bang:
a. Big bang itu seperti bom meledak di lokasi tertentu dalam ruang yang sebelumnya kosong (sehingga big bang punya pusat).
b. Kecepatan mundur (resesi) tidak dapat melampaui besar kecepatan cahaya.
c. Kita tidak dapat melihat cahaya dari galaksi yang kecepatan resesinya melebihi kecepatan cahaya.
d. Pergeseran merah kosmik disebabkan oleh efek doppler.
e. Karena umur alam semesta sekitar 14 milyar tahun, maka jari-jari alam semesta 14 milyar tahun cahaya.
f. Sebagaimana alam semesta mengembang maka benda-benda di dalamnya juga ikut mengembang.
DAFTAR PUSTAKA
Daftar pustaka ini saya tulis berdasarkan urutan catatan kaki. Semua situs yang tercantum saya akses bulan nopember-desember 2014.
1. Halliday, Resnick, Walker. 2014. Fundamentals of Physics. USA: John Wiley & Sons, Inc.
2. http://langitselatan.com/2014/04/08/mengapa-pemuaian-alam-semesta-melebihi-kecepatan-cahaya/
3. Walker, Fisika Dasar Edisi 7 Jilid 3. Jakarta: Erlangga.
4. Purwanto. Agus. 2009. Pengantar Kosmologi. Surabaya: ITS Press. 5. http://en.wikipedia.org/wiki/Planck_scale
6. http://www.abovetopsecret.com/forum/thread928635/pg1
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Universe
8. Itzhak Bars. 2010. Extra Dimensions in Space and Time. New York: Springer 9.
http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/12/06/ask-ethan-14-the-highest-energy-particles-in-the-universe/
10. http://www.astro.virginia.edu/~dmw8f/BBA_web/unit16/unit16.html
11. http://astronomy.nmsu.edu/aruiter/ASTRONOMY110/scale.jpg
