Kemajuan Sains 100 Tahun Terakhir Memberi Wawasan Baru Alam Semesta

Galaksi Bima Sakti. 100 tahun yang lalu, inilah konsepsi kita tentang seluruh alam semesta.
Sloan Digital Sky Survey

Tepat 100 tahun yang lalu, konsepsi kita tentang alam semesta jauh berbeda dibanding saat ini. Bintang-bintang di Galaksi Bima Sakti memang telah ditemukan dan diketahui terletak pada jarak hingga ribuan tahun cahaya, namun saat itu belum ada astronom yang memikirkannya lebih jauh. Alam semesta diasumsikan statis, karena objek-objek berbentuk spiral dan ellips di langit dianggap berada di dalam galaksi kita sendiri. Teori Gravitasi Newton masih belum digulingkan oleh teori baru Einstein, dan gagasan ilmiah seperti Big Bang, materi gelap, dan energi gelap bahkan belum pernah dipikirkan. Tapi setiap satu dekade, sains selalu melangkah jauh lebih maju. Berikut sorotan dari setiap kemajuan pemahaman sains kita tentang alam semesta.

Hasil ekspedisi Eddington pada tahun 1919 membuktikan kebenaran teori Relativitas Umum yang memprediksi kelengkungan cahaya bintang di sekitar objek-objek masif, sekaligus menggulingkan konsep Gravitasi Newton.
Ilustrasi dari London News, tahun 1919.

1910 - Teori Einstein dikonfirmasi! Relativitas Umum terkenal karena mampu menjelaskan teori gravitasi Newton yang tidak konsisten dengan presesi (pergerakan lebih lambat sumbu rotasi bintang) orbit Merkurius mengelilingi Matahari. Tapi teori sains tak sekadar menjelaskan sesuatu yang telah kita amati, teori sains juga harus memprediksi sesuatu yang belum terlihat. Meskipun sudah banyak konsep yang digagas satu abad sebelumnya, seperti dilatasi waktu gravitasi, kuat dan lemah pelensaan, frame dragging (efek di ruang dan waktu), pergeseran merah gravitasi, dan lain-lain. Termasuk konsep pembengkokan cahaya bintang cahaya bintang selama gerhana matahari total, yang selanjutnya diamati oleh Eddington beserta para kolega pada tahun 1919. Fenomena ini konsisten dengan teori yang digagas oleh Einstein dan tidak sesuai dengan teori  Newton. Itulah awal mula perubahan cara pandang kita tentang alam semesta untuk selamanya.

Variabel Cepheid di Galaksi Andromeda yang dipelajari oleh astronom Edwin Hubble, membuka alam semesta kepada kita.
E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay dan the Hubble Heritage Team.

1920 - Kita masih belum tahu alam semesta tak hanya Bima Sakti, tapi semuanya berubah pada tahun 1920an berkat jerih payah astronom Edwin Hubble. Ketika mengamati beberapa nebula spiral di langit, Hubble dapat menentukan jarak setiap bintang variabel dari tipe yang sama di Bima Sakti. Skala kecerahan mereka diketahui sangat rendah, sehingga mereka pasti terletak jutaan tahun cahaya dan terletak jauh di luar jangkauan galaksi kita. Tak berhenti sampai di situ, Hubble juga mengukur kecepatan dan jarak resesi lebih dari selusin galaksi dan menemukan bahwa alam semesta ternyata lebih luas dan terus meluas hingga sekarang.

Dua galaksi terang dan besar di pusat Gugus Coma, NGC 4889 (kiri) dan NGC 4874 yang sedikit lebih kecil (kanan), ukuran mereka amelebihi satu juta tahun cahaya. Tapi galaksi di tepi gugus, bergerak di sekeliling gugus begitu cepat, menunjukkan eksistensi lingkaran halo materi gelap di seluruh gugus.
Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

1930 - Sudah diperkirakan sejak dulu, jika semua massa bintang ditambah gas dan debu kosmik dapat diukur, maka kita dapat menghitung semua materi di alam semesta. Namun ketika galaksi di dalam gugus padat diamati (seperti gugus Coma di atas), astronom Fritz Zwicky menunjukkan bahwa seluruh bintang dan apa yang kita ketahui sebagai "materi normal", tidak cukup untuk menjelaskan gerakan internal dari gugus galaksi ini. Oleh karena itu dia menambahkan sebuah materi yang dinamakan materi gelap. Observasi Zwicky tidak terlalu diperhatikan hingga tahun 1970an, sampai para astronom mulai memahami materi normal dan materi gelap yang eksistensinya dibuktikan dalam jumlah yang melimpah di setiap galaksi. Saat ini kita mengetahui jumlah materi gelap yang melampaui materi normal dengan rasio 5:1.

Garis waktu ekspansi sejarah alam semesta teramati.
Tim sains NASA/WMAP.

1940 - Sementara sebagian besar sumber daya eksperimental dan observasional dikerahkan untuk menciptakan satelit mata-mata, roket dan pengembangan teknologi nuklir, fisikawan teoretis masih tetap bekerja keras. Pada tahun 1945, George Gamow membuat perhitungan ekspansi alam semesta. Jika alam semesta terus meluas dan menjadi lebih dingin hari ini, tentunya lebih panas dan lebih padat di masa lalu. Pastinya ada masa ketika alam semesta begitu panas dan padat sehingga atom netral tidak dapat terbentuk dan menggagalkan pembentukan inti atom. Jika benar, maka sebelum ada bintang yang pernah terbentuk, material di alam semesta awal harus memiliki rasio spesifik dari elemen yang paling ringan dan seharusnya ada sisa cahaya yang menembus ke semua arah hanya beberapa derajat di atas nol mutlak hari ini. Inilah konsep Big Bang yang melahirkan alam semesta dan merupakan gagasan terbesar yang diajukan pada tahun 1940an.

Ilustrasi berbagai daerah di permukaan, interior dan inti Matahari, tempat reaksi fusi nuklir terjadi. Proses fusi di inti bintang mirip Matahari dan bintang-bintang masif lainnya, menempa elemen berat yang tersebar ke seluruh alam semesta saat ini.
Wikimedia Commons user Kelvinsong

1950 - Konsep yang bersaing dengan Big Bang adalah model Steady-State, diajukan oleh Fred Hoyle dan beberapa ilmuwan lainnya dalam waktu yang bersamaan. Secara spektakuler, kedua belah pihak menggagas semua elemen berat yang ada di Bumi saat ini terbentuk di awal alam semesta. Hoyle dan para kolega mengklaim elemen berat tidak dibentuk saat alam semesta berada dalam keadaan panas dan padat (Big Bang), melainkan dibentuk oleh generasi bintang pendahulu. Hoyle bersama dua orang kolaborator bernama Willie Fowler dan Geoffrey dan Margaret Burbidge, secara rinci menjelaskan bagaimana elemen dibentuk pada tabel periodik dari fusi nuklir di inti bintang. Yang paling spektakuler, mereka memperkirakan perpaduan helium menjadi karbon melalui proses yang belum pernah diamati, yaitu triple-alpha, yang membutuhkan keadaan baru bagi karbon untuk dapat eksis. Keadaan itu ditemukan oleh Fowler beberapa tahun setelah diajukan oleh Hoyle dan sekarang dikenal sebagai Hoyle State of carbon. Dari sini, kita mengetahui bahwa semua elemen berat yang ada di Bumi saat ini, ditempa oleh generasi bintang sebelumnya.

Jika kita bisa melihat cahaya gelombang mikro, langit malam akan terlihat oval dan berwarna hijau pada suhu 2,7 derajat Kelvin. Derau di bagian tengah dihasilkan oleh suhu panas bidang galaksi kita. Radiasi seragam dengan spektrum radiasi blackbody adalah bukti dari cahaya sisa Big Bang, yaitu Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik.
NASA/tim sains WMAP

  

1960 - Setelah 20 tahun perdebatan, observasi kunci yang menentukan sejarah alam semesta terbongkar. Cahaya sisa Big Bang atau Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik ditemukan. Radiasi seragam dengan suhu 2,725 derajat Kelvin tersebar di seluruh alam semesta dan ditemukan pada tahun 1965 oleh Arno Penzias dan Bob Wilson. Kedua ilmuwan ini awalnya tidak menyadari apa yang mereka temukan, Namun seiring waktu, spektrum blackbody dari radiasi yang bahkan fluktuasinya telah diukur, menunjukkan kepada kita bahwa alam semesta dimulai dari sebuah "ledakan."

Alam semesta sebelum Big Bang mengatur kondisi awal dari setiap hal yang kita lihat hari dari proses evolusi alam semesta. Inilah gagasan besar Alan Guth yang disebut inflasi kosmik.
E. Siegel, dengan gambar yang berasal dari ESA/Planck dan satuan tugas antar agensi/DoE/NASA/NSF pada penelitian Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik

1970 - Pada akhir tahun 1979, seorang ilmuwan muda memiliki gagasan yang berlaku seterusnya. Alan Guth, mencari cara untuk memecahkan beberapa masalah yang tidak dapat dijelaskan oleh Big Bang, mengapa alam semesta tampak begitu datar secara spasial, mengapa suhu di segala penjuru sama, dan mengapa tidak ada peninggalan energi ultra tinggi. Dari sana, lahirlah sebuah gagasan yang dikenal sebagai inflasi kosmik. Guth menggagas bahwa sebelum alam semesta lahir dan dikandung dalam keadaan panas dan padat, alam semesta berada dalam keadaan tingkat ekspansi yang sangat cepat dan semua energi terikat pada struktur ruang itu sendiri. Perlu beberapa perbaikan pada gagasan awal Guth untuk menciptakan teori inflasi modern, namun observasi selanjutnya, termasuk fluktuasi di Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik, struktur berskala besar di alam semesta dan pembentukan gumpalan dan gugus galaksi, telah membuktikan prediksi inflasi kosmik. Alam semesta kita tidak hanya dimulai dengan ledakan besar, tapi memang ada sebuah keadaan sebelum Big Bang terjadi.

Sisa ledakan supernova 1987a di galaksi Awan Magellan Besar yang terletak sekitar 165.000 tahun cahaya dari Bumi. Inilah supernova terdekat yang pernah diamati dari Bumi dalam kurun waktu sekitar tiga abad terakhir.
Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator

1980 - Mungkin tidak nampak jelas, tapi pada tahun 1987 ledakan dahsyat supernova terdekat dengan Bumi terjadi setelah lebih dari 100 tahun. Diberi kode 1987a, inilah supernova pertama yang terjadi setelah kita memiliki detektor online yang mampu mendeteksi neutrino dari ledakan tersebut. Meskipun kita telah melihat banyak supernova di galaksi-galaksi lain, kita belum pernah mengamati sebegitu banyak neutrino. Neutrino ini menandai dimulainya astronomi neutrino, dan perkembangan selanjutnya mengarah pada penemuan osilasi neutrino, massa neutrino, dan neutrino dari supernova yang terjadi dari jarak satu juta tahun cahaya. Jika detektor online neutrino masih beroperasi, setidaknya lebih dari seratus ribu neutrino dari supernova berikutnya di Bima Sakti akan terdeteksi.

Empat teori takdir pamungkas alam semesta. Ilustrasi terbawah berdasarkan data alam semesta dengan energi gelap yang pertama kali ditemukan melalui observasi supernova jauh.
E. Siegel/Beyond the Galaxy

1990 - Jika Anda berpikir penemuan materi gelap dan bagaimana alam semesta dilahirkan merupakan hal yang besar, lebih mengejutkan lagi ketika pada tahun 1998 diajukan teori tentang bagaimana alam semesta akan berakhir! Para ilmuwan telah membayangkan tiga kemungkinan takdir pamungkas alam semesta.

• Ekspansi alam semesta tidak mampu mengatasi gaya gravitasi dan akan runtuh dalam siklus Big Crunch.
• Ekspansi alam semesta akan melampaui segala kombinasi gaya gravitasi dan segala sesuatu di alam semesta akan saling menjauh, menghasilkan Big Freeze.
• Atau kita tepat berada di perbatasan antara kedua konsep ini, dan tingkat ekspansi akan menjadi asimtot nol, yakni ekspansi yang semakin lama semakin mengecil mendekati nol pada titik jauh, yang disebut Critical Universe.

Ledakan supernova yang terjadi sangat jauh menunjukkan akselerasi laju ekspansi alam semesta, dan seiring berjalannya waktu galaksi-galaksi jauh semakin meningkatkan kecepatan untuk saling menjauh. Tidak hanya alam semesta akan membeku, tapi semua galaksi yang tidak terikat secara gravitasi pada akhirnya akan lenyap di luar horizon kosmik kita. Selain galaksi di Grup Lokal kita, tidak akan ada galaksi lain yang dapat menemukan Bima Sakti kita, dan takdir pamungkas yang menanti adalah alam semesta dingin dan sunyi. Dalam 100 miliar tahun lagi, kita tidak dapat melihat galaksi di luar jangkauan Grup Lokal.

Fluktuasi dalam Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik pertama kali diukur secara akurat oleh COBE pada tahun 1990an. Kemudian diukur lebih akurat lagi oleh WMAP pada tahun 2000an dan Planck (gambar di atas) pada tahun 2010an. Gambar mengandung sejumlah besar informasi tentang alam semesta awal.
ESA dan the Planck Collaboration

2000 - Penemuan Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik tidak berakhir hanya pada tahun 1965. Pengukuran fluktuasi cahaya sisa dari Big Bang mengajari kita sesuatu yang fenomenal, yakni seperti apa alam semesta terbentuk. Data dari COBE digantikan oleh WMAP, yang kemudian diperbaiki oleh Planck. Selain itu, data survei galaksi-galaksi besar (seperti 2dF dan SDSS) dan data supernova jauh semuanya dikombinasikan untuk memberikan gambaran modern tentang alam semesta, yaitu:

• 0,01% radiasi dalam bentuk foton,
• 0,1% neutrino, yang sedikit berkontribusi terhadap lingkaran halo gravitasi yang mengelilingi galaksi dan gugus galaksi,
• 4,9% materi normal, meliputi segala sesuatu yang terbuat dari partikel atom,
• 27% materi gelap atau partikel misterius yang tidak berinteraksi (kecuali interaksinya dengan gravitasi) telah memberikan gambaran tentang struktur alam semesta teramati,
• dan 68% energi gelap, yang melekat pada ruang itu sendiri.

Perbandingan sistem Kepler-186, Kepler-452 dan tata surya kita. Sementara planet yang menginduk bintang katai merah seperti Kepler-186 sangat menarik untuk dipelajari, Kepler-452b lebih mirip Bumi dalam perhitungan bilangan metrik.
NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

2010 - Satu dekade telah berlalu, namun kita belum juga menemukan planet mirip Bumi yang berpotensi layak huni untuk pertama kalinya, di antara ribuan eksoplanet baru yang ditemukan oleh misi Kepler NASA. Meskipun dapat dikatakan bukan penemuan terbesar dalam satu dekade, karena pendeteksian langsung gelombang gravitasi dari LIGO, tak sekadar menegaskan gambaran teori Relativitas Umum Einstein yang diajukan pada 1915. Lebih dari satu abad sejak teori Einstein berkompetisi dengan teori Newton untuk memprediksi hukum gravitasi alam semesta, relativitas umum telah melewati setiap eksperimen yang diujikan kepadanya, dan selalu berhasil lulus hingga ke seluk-beluk terkecil gravitasi.

Penggabungan antara dua lubang hitam dengan massa yang sebanding diamati oleh LIGO.
SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (http://www.black-holes.org)

Kisah kemajuan sains belum selesai, karena masih ada banyak yang bisa kita temukan di alam semesta. Namun, setiap langkah maju telah membawa kita dari alam semesta tak dikenal yang pada awalnya tidak lebih besar dari galaksi Bima Sakti kita sendiri ke alam semesta yang semakin meluas terdiri dari materi gelap, energi gelap dan materi normal dipenuhi oleh planet yang berpotensi layak huni, termasuk usia alam semesta yang diperkirakan sekitar 13,8 miliar tahun, dilahirkan dari Big Bang yang merupakan hasil inflasi kosmik. Sekarang kita tahu tentang asal mula, takdir pamungkas dan alam semesta hari ini. Semoga 100 tahun ke depan kemajuan dan revolusi ilmiah terus berlanjut dan pastinya akan mengejutkan kita semua.

Astrofisikawan dan penulis Ethan Siegel adalah pendiri dan penulis utama Starts With A Bang! Buku-bukunya, Treknology dan Beyond The Galaxy, tersedia di toko buku terdekat.

Sumber: 11 Scientific Advances Of The Past 100 Years Gave Us Our Entire Universe

#terimakasihgoogle