Bagaimana Cara Kita Mengetahui Alam Semesta Meluas?

Ada sekumpulan bukti ilmiah yang mendukung gambaran Big Bang dan ekspansi alam semesta. Namun belum diketahui apakah kosmos terbatas atau tak terhingga.
NASA/GSFC

Jika mengamati alam semesta ke segala arah, kita akan menemukan galaksi-galaksi jauh yang semakin menjauhi kita. Lantas, kesimpulan apa yang bisa kita tarik? Tak peduli apakah seseorang meragukannya, ruang itu sendiri terus meluas. Para ilmuwan juga selalu mengatakan bahwa alam semesta mengembang, seolah tak ada pilihan lain terkait ekspansi kosmos. Itulah yang ingin diketahui oleh netizen Buck yang bertanya:

“Bagaimana cara kita mengetahui alam semesta meluas? Apa penyebabnya?”

Percaya atau tidak, jawabannya tertulis di wajah jagad raya itu sendiri.

Jalinan ruang dan waktu yang melengkung akibat pengaruh gaya gravitasi Matahari dan planet.
T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Salah satu fakta paling luar biasa dari Relativitas Umum Einstein sebagai teori utama gravitasi, ia menjabarkan hubungan antara ruang dan waktu dengan materi dan energi. Materi dan energi melengkungkan ruang dan waktu, sementara ruang dan waktu menunjukkan pergerakan materi dan energi. Jika kita mengetahui bagaimana seluruh materi dan energi di alam semesta yang didistribusikan dalam waktu singkat, dan mengetahui bagaimana materi dan energi bergerak, maka kita dapat merekonstruksi bagaimana jalinan ruang dan waktu melengkung dan meluas di sepanjang sejarah alam semesta.

Wilayah sangat padat (merah) dan kurang padat (biru/hitam) di sekitar kita yang diperlihatkan dalam dua dimensi. Garis dan panah mengilustrasikan arah kecepatan arus yang tidak biasa, namun semuanya ini tertanam di jalinan ruang yang terus meluas.
Kosmografi Alam Semesta Lokal-Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Galaksi-galaksi yang terpisah tidak terlalu jauh, didominasi oleh dinamika gaya gravitasi satu sama lain. Bima Sakti dan Andromeda saling mendekat. Demikian pula dengan galaksi-galaksi lain di Grup Lokal yang pada akhirnya akan bergabung dengan galaksi kita. Di luar Grup Lokal, galaksi-galaksi ditarik ke ikatan galaksi yang ukurannya lebih besar, seperti gugus galaksi. Di wilayah ruang yang relatif kecil, beberapa juta atau puluhan juta tahun cahaya, seluruh massa yang ada di dalam jarak tersebut menentukan bagaimana galaksi-galaksi bergerak.

Pemandangan alam semesta jauh yang menunjukkan bagaimana galaksi-galaksi bergerak menjauhi kita dengan kecepatan ekstrem. Pada jarak yang begitu jauh, jumlah galaksi terlihat lebih banyak, lebih kecil, kurang berevolusi dan nilai pergeseran merahnya menurun daripada galaksi-galaksi di lingkungan kosmik lokal.
NASA, ESA, R. Windhorst dan H. Yan

Tapi pada skala yang lebih besar, kita justru melihat efek yang berbeda. Pergerakan skala kecil di Grup Lokal kerap disebut kecepatan peculiar, yang dapat meningkatkan kecepatan hingga beberapa ribu kilometer per detik. Namun kecepatan peculiar Grup Lokal ditumpangkan ke atas efek yang lebih besar, sehingga kita hanya bisa melihatnya dalam skala yang jauh lebih besar. Faktanya, semakin jauh jarak sebuah galaksi dari kita, maka ia terlihat semakin cepat menjauhi kita.

Bukan hanya pergerakan galaksi-galaksi yang menjauhi kita yang menyebabkan pergeseran merah, namun jarak antara kita dengan mereka turut berkontribusi atas pergeseran merah cahaya yang menempuh perjalanan dari sana untuk mencapai mata kita.

Observasi empiris ini dikenal sebagai Hukum Hubble, yang menyatakan bahwa kecepatan resesi sebuah galaksi sebanding dengan seberapa jauh jaraknya dari kita. Konstanta proporsionalitas ini disebut konstanta Hubble dan telah diukur sekitar 70 km/s/Mpc, dengan margin error sekitar 3-4 km/s/Mpc.

Hubungan antara jarak dan pergeseran merah galaksi-galaksi jauh. Titik-titik yang tidak sesuai dengan kecepatan peculiar, hanya memberikan sedikit penyimpangan dari keseluruhan ekspansi yang teramati. Data original dari Edwin Hubble, yang pertama kali digunakan untuk menunjukkan ekspansi alam semesta, dapat dimasukkan ke kotak merah kecil di kiri bawah.
Robert Kirshner, PNAS, 101, 1, 8-13 (2004)

Lantas, apa penyebabnya? Mengapa segala sesuatu bergerak terpisah satu sama lain, asalkan mereka tidak terikat secara gravitasi? Kita harus kembali ke fondasi Relativitas Umum, sebelum Einstein mengajukan gagasannya yang legendaris ini.

Ketika mengemukakan teori Relativitas Umum, Einstein segera menyadari ada konsekuensi yang tidak dia sukai dari teorinya sendiri. Alam semesta yang dipenuhi oleh materi ke segala arah, tidak akan stabil di bawah pengaruh gaya gravitasi. Untuk memperkuat teori, Einstein menggagas gaya tak kasat mata yang mencegah ketidakstabilan materi, yaitu sebuah konstanta kosmologis. Tetapi jika konstanta kosmologis dilibatkan, maka alam semesta tidak statis, tetapi ruang justru dapat meluas dan menyusut seiring seiring waktu.

Kelanjutan artikel: Bagaimana Cara Kita Mengetahui Alam Semesta Meluas? (Bagian 2)