Alam Semesta 95% Hilang.

Saya ingat mendapatkan teleskop pertama saya untuk ulang tahun kedua belas saya. Itu adalah refraktor toko serba ada yang murah, goyah di atas tripodnya, tetapi bagi saya, itu adalah mesin waktu. Saya menghabiskan malam musim dingin yang dingin di halaman belakang saya, mengarahkannya ke bulan, ke kabut Orion Nebula, ke titik Andromeda yang sangat jauh. Saya merasakan hubungan dengan kosmos, perasaan bahwa saya sedang melihat mesin besar keberadaan. Itu adalah kebohongan yang indah dan menenangkan.

Kenyataannya adalah, semua yang saya lihat—setiap bintang, setiap galaksi, setiap kabut gas—hanyalah kebisingan. Itu adalah 5%. 95% lainnya dari alam semesta, alam semesta yang sebenarnya, sama sekali tidak terlihat oleh teleskop saya dan setiap instrumen lain yang kami miliki. Ini adalah alam semesta yang dipegang oleh kerangka tak terlihat dari materi gelap dan energi gelap, sebuah kosmos yang nasib akhirnya ditentukan oleh kekuatan yang tidak dapat kita lihat, tidak dapat kita sentuh, dan hampir tidak dapat kita pahami. Ilmu kosmologi bukan lagi tentang memetakan bintang. Ini tentang menghadapi kenyataan yang menakutkan dan menggembirakan bahwa kita pada dasarnya tidak tahu apa yang sebenarnya terdiri dari alam semesta kita.

Peta Kosmik Kita Ternyata Salah Besar.

Selama berabad-abad, tempat kita di alam semesta terasa pasti. Kami adalah sebuah planet, mengorbit sebuah bintang, di dalam kumpulan bintang yang luas yang disebut Bima Sakti. Dan untuk waktu yang lama, kami percaya itu saja. Bima Sakti adalah alam semesta. Ini bukan hanya ide yang aneh; itu adalah medan pertempuran ilmiah yang sengit.

Perdebatan Besar: Apakah Galaksi Kita adalah Seluruh Alam Semesta?

Pada awal 1920-an, dunia astronomi terbagi menjadi dua. Di satu sisi, ada astronom terhormat seperti Harlow Shapley, yang berargumen dengan penuh semangat bahwa galaksi Bima Sakti kita adalah seluruh kosmos. Bercak-bercak kabur di langit, yang disebut "nebula spiral," hanyalah awan gas dalam galaksi kita sendiri.

Di sisi lain adalah mereka yang mencurigai sesuatu yang jauh lebih besar. Mereka mengusulkan bahwa nebula ini sebenarnya adalah "alam semesta pulau" yang jauh—seluruh galaksi seperti milik kita, tersebar di ruang yang sangat luas. Masalahnya adalah, tidak ada yang bisa membuktikannya. Tanpa cara untuk mengukur jarak yang luar biasa itu, itu adalah teori satu orang melawan teori orang lain. Itu adalah kebuntuan kosmik.

Yardstick Kosmik Hubble Mengubah Segalanya.

Masukkan Edwin Hubble, seorang pria dengan disiplin seorang prajurit dan rasa ingin tahu yang tak terpuaskan dari seorang astronom. Bekerja di Observatorium Mount Wilson dengan teleskop paling kuat di dunia saat itu, dia tidak hanya mengambil gambar yang indah. Dia sedang berburu jawaban. Kuncinya, dia percaya, terletak pada jenis bintang khusus yang dikenal sebagai Variabel Cepheid.

Variabel Cepheid adalah bintang yang berdenyut, mencerahkan dan meredup dengan ritme yang tepat dan teratur. Sebelumnya, seorang astronom bernama Henrietta Leavitt telah membuat penemuan monumental: semakin cepat Cepheid berdenyut, semakin terang sebenarnya. Ini adalah terobosan yang dibutuhkan Hubble. Bintang-bintang ini adalah mercusuar kosmik.

jika Anda tahu seberapa terang cahaya sebenarnya adalah, Anda dapat mengetahui seberapa jauh jaraknya hanya dengan melihat seberapa redupnya. Pada akhir 1924, Hubble menemukan bintang variabel Cepheid di dalam Nebula Andromeda yang besar. Dia mengukur denyutnya. Dia menghitung kecerahan sebenarnya. Dan kemudian, dia menghitung jaraknya. Angka yang dia dapatkan sangat mengejutkan. Andromeda bukanlah awan gas yang berjarak beberapa ribu tahun cahaya. Itu hampir sejuta tahun cahaya jauhnya, benar-benar melebihi ukuran Bima Sakti yang dikenal.

Penemuannya bukan hanya kemenangan dalam debat; itu adalah penghancuran model kosmik kita secara keseluruhan. Alam semesta bukanlah satu galaksi. Itu adalah ratusan miliar dari mereka. Alamat kita tiba-tiba berubah dari rumah yang nyaman menjadi sebutir pasir di pantai yang tak terbatas.

Tanda Tak Terbantahkan dari Alam Semesta yang Mengembang.

Penemuan ini membuka pintu air. Hubble, bersama dengan asistennya yang tak tergantikan Milton Humason, mulai mengukur jarak ke sebanyak mungkin galaksi. Tapi mereka juga melakukan sesuatu yang lain. Mereka mengukur cahayanya.

Ketika sebuah objek bergerak menjauh dari Anda, gelombang cahaya yang dipancarkannya menjadi memanjang, bergeser ke arah ujung merah spektrum. Ini disebut pergeseran merah. Ini adalah setara optik dari penurunan nada sirene saat ambulans melaju pergi. Apa yang ditemukan Hubble tidak dapat disangkal: hampir setiap galaksi mengalami pergeseran merah. Mereka semua menjauh dari kita.

Tapi bagian yang paling mengejutkan adalah polanya. Semakin jauh sebuah galaksi, semakin cepat ia menjauh. Ini bukanlah penyebaran objek secara acak. Ini adalah ekspansi ruang yang terkoordinasi dan sistematis. Alam semesta semakin besar setiap detik. Pengamatan sederhana dan mendalam ini, yang sekarang dikenal sebagai Hukum Hubble-Lemaître, menjadi landasan kosmologi modern dan membuka jalan bagi gagasan yang lebih radikal.

Ledakan Besar Adalah Bisikan Sebelum Menjadi Teriakan.

Jika alam semesta mengembang, maka pasti lebih kecil di masa lalu. Jika Anda memutar kembali jam kosmik cukup jauh, semuanya—semua materi, semua energi, semua ruang itu sendiri—pasti terkompresi menjadi satu titik yang sangat panas dan sangat padat. Implikasinya tak terhindarkan: alam semesta memiliki awal.

Dari Teori ke Medan Pertempuran: Keadaan Tetap vs. Awal.

Gagasan tentang "awal" ini sangat mengganggu banyak ilmuwan. Itu terdengar terlalu mirip dengan mitos penciptaan. Astronom Fred Hoyle adalah salah satu kritikusnya yang paling vokal. Dia mendukung alternatif yang disebut "teori Keadaan Tetap," yang mengusulkan bahwa sementara galaksi bergerak menjauh, materi baru terus-menerus diciptakan di ruang kosong di antara mereka, menjaga kepadatan keseluruhan alam semesta tetap sama selamanya. Baginya, alam semesta itu abadi, tanpa awal dan tanpa akhir.

Dalam wawancara radio BBC tahun 1949, Hoyle dengan sinis menyebut gagasan pesaing tentang asal kosmik sebagai "Ledakan Besar." Dia bermaksud itu sebagai penghinaan. Nama itu, yang penuh dengan sarkasme, melekat. Garis pertempuran ditarik. Apakah alam semesta abadi, atau apakah semuanya dimulai dengan ledakan?

Penemuan Tak Sengaja Menulis Ulang Sejarah.

Jawabannya tidak datang dari observatorium di puncak gunung, tetapi dari sepasang insinyur radio di New Jersey. Pada tahun 1964, Arno Penzias dan Robert Wilson bekerja dengan antena gelombang mikro besar untuk Bell Labs. Mereka terganggu oleh desisan yang terus-menerus dan menjengkelkan—suara latar belakang yang datang dari segala arah di langit, siang dan malam, tidak peduli ke mana mereka mengarahkan antena. Mereka membersihkan peralatan. Mereka mengusir merpati yang bersarang di tanduk. Desisan itu tetap ada.

Ini bukan kegagalan peralatan. Ini adalah alam semesta.

Hanya beberapa mil jauhnya di Universitas Princeton, tim kosmolog sedang membangun detektor untuk mencari hal yang sama yang ditemukan oleh Penzias dan Wilson. Mereka berteori bahwa jika Big Bang terjadi, energi luar biasa dari ledakan awal itu tidak akan hilang begitu saja. Itu masih akan bergema di seluruh kosmos, diregangkan oleh 13,8 miliar tahun ekspansi menjadi cahaya redup dan dingin dari radiasi gelombang mikro.

Penzias dan Wilson tidak menemukan kebisingan. Mereka menemukan cahaya sisa dari penciptaan.

Membaca Gambar Bayi Alam Semesta: Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik.

Desisan lemah itu sekarang disebut Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB). Ini adalah cahaya tertua di alam semesta, snapshot dari kosmos ketika baru berusia 380.000 tahun. Ini adalah bukti tak terbantahkan bahwa Big Bang terjadi. Teori Keadaan Tetap mati.

CMB lebih dari sekadar bukti; itu adalah peta harta karun. Dengan mempelajari variasi suhu kecilnya, kita dapat menghitung usia alam semesta (13,8 miliar tahun), memahami komposisi kosmos awal, dan melihat benih dari mana semua galaksi yang kita lihat hari ini akhirnya tumbuh. Ini menceritakan kisah yang indah dan konsisten. Tetapi itu juga mengandung petunjuk pertama bahwa cerita ini kehilangan tokoh utamanya. Jumlah materi normal yang dihitung dari CMB tidak sesuai dengan apa yang kita lihat menahan galaksi bersama.

Gravitasi Tak Terlihat Mengungkap Kerangka Materi Gelap Alam Semesta.

Hukum fisika tidak kenal ampun. Gravitasi, seperti yang dijelaskan oleh Newton dan Einstein, adalah akuntan yang ketat. Agar galaksi berputar pada kecepatan tertentu, ia harus memiliki jumlah massa tertentu untuk memberikan lem gravitasi yang menahannya bersama. Jika tidak, bintang-bintang di tepi luar seharusnya terlempar ke ruang antar galaksi. Masalahnya adalah, mereka tidak.

Anomali Galaksi: Mengapa Bintang Tidak Terbang Jauh?

Dimulai pada tahun 1970-an, astronom Vera Rubin melakukan studi teliti tentang kecepatan rotasi galaksi. Dia mengharapkan melihat bintang di tepi luar bergerak lebih lambat daripada bintang di dekat pusat, sama seperti planet luar di tata surya kita mengorbit lebih lambat daripada planet dalam.

Apa yang dia temukan menentang semua logika. Bintang-bintang di pinggiran bergerak secepat yang lebih dekat. Ini adalah kegilaan. Itu seperti melihat Pluto berputar mengelilingi matahari dengan kecepatan yang sama dengan Merkurius. Satu-satunya cara ini bisa terjadi adalah jika galaksi-galaksi itu tertanam dalam halo materi yang besar dan tak terlihat, tarikan gravitasinya mencengkeram bintang-bintang luar itu dan menjaganya tetap sejajar. Galaksi yang terlihat—bagian yang bisa kita lihat—hanyalah pusat terang dari struktur yang jauh lebih besar dan lebih gelap.

Fritz Zwicky dan Masalah Massa yang Hilang.

Idenya tidak sepenuhnya baru. Kembali pada tahun 1930-an, astronom yang pemarah tetapi brilian Fritz Zwicky mengamati gugus galaksi dan menyadari bahwa mereka bergerak begitu cepat sehingga seharusnya terbang terpisah. Dia menyimpulkan bahwa harus ada beberapa Dunkle Materie—Jerman untuk "materi gelap"—memberikan tarikan gravitasi tambahan. Dia sebagian besar diabaikan selama beberapa dekade.

Tetapi pekerjaan Rubin terlalu tepat untuk diabaikan. Bukti menjadi sangat banyak. Galaksi demi galaksi, gugus demi gugus, semuanya menunjukkan efek aneh yang sama. Harus ada sesuatu yang lain di luar sana. Sesuatu yang memiliki massa dan gravitasi, tetapi tidak memancarkan, memantulkan, atau berinteraksi dengan cahaya dengan cara apa pun. Ini adalah materi gelap.

Perburuan Global untuk Partikel Hantu.

Jadi, apa itu? Itulah pertanyaan bernilai triliunan dolar. Selama hampir seratus tahun, kita telah mengetahui bahwa materi gelap harus ada, namun kita hampir tidak tahu apa-apa tentangnya. Teori terkemuka adalah bahwa itu terbuat dari jenis partikel subatom baru—"Partikel Masif yang Berinteraksi Lemah," atau WIMP—yang ada di sekitar kita, melewati tubuh kita dan Bumi sendiri seolah-olah kita adalah hantu.

Untuk menemukannya, para ilmuwan telah melakukan upaya luar biasa. Mereka telah membangun detektor di tambang terdalam di Bumi, menggunakan mil batu untuk melindungi mereka dari sinar kosmik, berharap menangkap sinyal langka dan singkat dari partikel materi gelap yang menabrak atom xenon cair. Mereka telah menggunakan satelit untuk memindai langit mencari tanda-tanda partikel materi gelap yang saling memusnahkan. Sejauh ini, tidak ada. Kerangka tak terlihat alam semesta tetap tersembunyi dengan keras kepala. Perhitungan kosmik kita menunjukkan bahwa untuk setiap pon materi yang terlihat, ada lebih dari lima pon materi gelap. Ini adalah mayoritas yang diam, perancah sejati kosmos.

Antigravitasi Kosmik Merobek Alam Semesta dengan Energi Gelap.

Jika alam semesta penuh dengan materi—baik normal maupun gelap—maka tarikan gravitasi bersama seharusnya bertindak seperti rem, memperlambat ekspansi kosmik yang dimulai dengan Big Bang. Selama beberapa dekade, pertanyaan terbesar dalam kosmologi sederhana: apakah ada cukup materi untuk akhirnya menghentikan ekspansi dan menyebabkan alam semesta runtuh kembali pada dirinya sendiri dalam "Big Crunch," atau akankah ia berkembang selamanya, perlahan memudar menjadi kekekalan yang dingin dan gelap?

Pertanyaan Utama: Apa Nasib Alam Semesta?

Untuk menjawab ini, astronom perlu mengukur sejarah ekspansi kosmik. Mereka membutuhkan lilin standar yang lebih baik daripada variabel Cepheid, yang dapat dilihat miliaran tahun cahaya jauhnya. Mereka menemukannya dalam jenis ledakan bintang tertentu: Tipe Ia supernova.

Supernova ini terjadi ketika bintang katai putih dalam sistem biner menarik terlalu banyak materi dari pasangannya dan meledak. Karena mereka semua meledak pada massa yang kira-kira sama, kecerahan puncaknya sangat konsisten. Mereka adalah mercusuar kosmik yang paling utama.

Twist Mengejutkan: Ekspansi Alam Semesta Semakin Cepat.

Pada akhir 1990-an, dua tim astronom independen berusaha menggunakan supernova ini untuk mengukur perlambatan alam semesta. Mereka dengan susah payah mengumpulkan data, mengamati puluhan ledakan yang jauh. Mereka menjalankan perhitungan. Dan mereka berdua tiba pada kesimpulan yang begitu menggelikan, begitu bertentangan dengan harapan, sehingga mereka mengira telah membuat kesalahan besar.

Ekspansi alam semesta tidak melambat. Itu semakin cepat.

Ini seperti melempar bola ke udara dan melihatnya meluncur ke luar angkasa semakin cepat. Ini melanggar setiap naluri. Satu-satunya cara ini mungkin adalah jika alam semesta dipenuhi dengan semacam energi aneh dan menjijikkan—semacam antigravitasi kosmik yang mendorong ruang-waktu terpisah. Kekuatan misterius ini diberi nama:energi gelap.

Apakah Energi Gelap Misterius Ini Merupakan Kekuatan Konstan?

Kita bahkan memiliki lebih sedikit petunjuk tentangenergi gelap daripada yang kita ketahui tentang materi gelap. Ide utama adalah bahwa itu bisa menjadi sifat dari ruang itu sendiri, yang pernah disebut Einstein sebagai "konstanta kosmologis." Namun ketika fisikawan mencoba menghitung berapa banyak "energi vakum" ini seharusnya ada, angka yang mereka dapatkan adalah 10^120 kali lebih besar dari yang kita amati. Ini telah disebut sebagai prediksi teoretis terburuk dalam sejarah fisika.

Pemahaman modern kita tentang anggaran kosmik sangat merendahkan:

• Materi Normal (bintang, planet, Anda): ~5%

• Materi Gelap (perancah tak terlihat): ~27%

• Energi Gelap (kekuatan menjijikkan misterius): ~68%

Proyek seperti Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI) sekarang menciptakan peta 3D terbesar dari alam semesta yang pernah dirancang, mengukur puluhan juta galaksi untuk melacak sejarah ekspansi dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Hasil awal menunjukkan bahwa energi gelap mungkin tidak konstan—mungkin melemah seiring waktu. Jika ini benar, ini hanya memperdalam misteri. Kita tidak hanya kehilangan 95% dari alam semesta; 95% yang kita hilangkan berperilaku dengan cara yang tidak bisa kita jelaskan.

Pikiran Akhir

Kita berdiri hari ini dalam posisi yang mirip dengan para astronom sebelum Hubble, menatap peta yang kita tahu secara fundamental salah. Fisika yang membangun dunia modern kita, yang membawa kita ke bulan dan memberi kita internet, hanya dapat menjelaskan 5% dari realitas. Ini bukan kegagalan; ini adalah kesempatan terbesar dalam sejarah sains.

Penemuanmateri gelap dan energi gelap bukanlah akhir, tetapi awal yang keras dan indah. Ini memberi tahu kita bahwa revolusi baru dalam fisika bukan hanya mungkin, tetapi tak terhindarkan. Alam semesta bukanlah tempat yang rapi dan teratur seperti yang ditunjukkan teleskop murah saya. Ini adalah arena yang liar, gelap, dan sangat aneh, diatur oleh aturan yang belum kita tulis. Pencarian jawaban terus berlanjut, tidak hanya di tambang terdalam tetapi juga di ujung terjauh ruang angkasa, saat kita mencoba menerangi kegelapan yang luar biasa.

Apa pendapat Anda? Apakah ketidaktahuan yang mendalam ini membuat Anda bersemangat atau menakutkan Anda? Kami ingin mendengar dari Anda!

FAQ

1. Apa perbedaan utama antara materi gelap dan energi gelap? Materi gelap adalah zat tak terlihat yang memberikan tarikan gravitasi, menjaga galaksi dan gugus galaksi tetap bersama. Anggap saja sebagai perancah tak terlihat alam semesta. Energi gelap, di sisi lain, adalah kekuatan menjijikkan misterius yang menyebabkan ekspansi alam semesta semakin cepat. Singkatnya, materi gelap menarik benda-benda bersama, sementara energi gelap mendorongnya terpisah.

2. Bagaimana ilmuwan tahu materi gelap ada jika mereka tidak bisa melihatnya? Ilmuwan menyimpulkan keberadaannya dari efek gravitasinya pada materi yang terlihat. Bukti utama adalah kecepatan rotasi galaksi. Bintang-bintang di tepi luar galaksi bergerak terlalu cepat untuk ditahan oleh gravitasi materi yang terlihat saja. Tanpa lem gravitasi tambahan dari halo besar materi gelap, galaksi-galaksi ini akan terbang terpisah.

3. Bisakah materi gelap dan energi gelap menjadi hal yang sama? Tidak, berdasarkan semua bukti saat ini, mereka adalah dua fenomena yang berbeda dengan efek yang berlawanan. Materi gelap bersifat menarik (secara gravitasi), menyebabkan materi berkumpul, sementara energi gelap bersifat menjijikkan, mendorong percepatan ekspansi ruang itu sendiri.

4. Mengapa memahami materi gelap dan energi gelap sangat penting untuk kosmologi? Dua komponen ini membentuk 95% dari total massa-energi alam semesta. Tanpa memahaminya, kita tidak dapat memahami bagaimana galaksi terbentuk, mengapa alam semesta memiliki struktur skala besar seperti yang ada, atau apa nasib akhirnya. Seluruh model kosmos kita tidak lengkap dan secara fundamental cacat tanpa penjelasan untuk mereka.

5. Apakah ada teori alternatif untuk materi gelap? Ya, beberapa teori mencoba menjelaskan anomali gravitasi yang diamati dengan memodifikasi hukum gravitasi pada jarak yang besar, sebuah konsep yang dikenal sebagai Dinamika Newtonian yang Dimodifikasi (MOND). Namun, teori-teori ini kesulitan menjelaskan semua bukti observasional sebaik model materi gelap, terutama latar belakang gelombang mikro kosmik.

6. Apa yang akan terjadi pada alam semesta karena energi gelap? Jika energi gelap adalah kekuatan konstan, alam semesta akan terus berkembang dengan laju yang semakin meningkat. Dalam miliaran tahun, semua galaksi di luar kelompok lokal kita akan surut melampaui cakrawala yang dapat kita amati. Langit malam akan menjadi sebagian besar kosong, meninggalkan galaksi Bima Sakti-Andromeda yang bergabung sendirian dalam kekosongan yang tak berujung.