Seberapa Besar Alam Semesta yang Tak Teramati? (Bagian 1)

Gugus galaksi masif PLCK_G308.3-20.2 yang dibidik oleh Teleskop Antariksa Hubble NASA. Gugus galaksi semacam ini mewakili petak besar dari alam semesta jauh. Tetapi, sejauh apa alam semesta yang teramati, termasuk wilayah yang tak teramati?
ESA/HUBBLE & NASA, RELICS; D. COE ET AL.

Sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, Big Bang memulai kosmos. Alam semesta dipenuhi materi, antimateri, radiasi dengan keadaan yang ultra-panas dan ultra-padat. Kemudian volume alam semesta meluas dan suhu mendingin. Hingga hari ini, volume yang membentuk alam semesta teramati telah membentang hingga 46 miliar tahun cahaya, berdasarkan cahaya yang pertama kali tiba di mata kita sebagai batasan kosmos yang bisa kita ukur. Lalu, seperti apa di luar alam semesta teramati? Itulah yang ingin diketahui oleh netizen Gray Bryan saat dia bertanya:

“Kita tahu ukuran volume alam semesta teramati karena kita mengetahui umur kosmos (setidaknya sejak fase perubahan) dan kita tahu bahwa cahaya memancar. [...] Pertanyaan saya adalah mengapa perhitungan matematis terhadap perkiraan latar belakang gelombang mikro kosmik dan prediksi-prediksi lainnya dapat menentukan ukuran alam semesta? Kita tahu temperatur alam semesta saat ini. Apakah skala tidak memengaruhi perhitungan ini?"

Kalau hanya itu saja yang diperlukan, maka semuanya akan lebih mudah!

Sejarah kosmos, sejauh yang dapat kita lihat menggunakan berbagai instrumen dan teleskop, telah ditentukan dengan baik. Tetapi secara tautologis, observasi hanya memberikan bukti tentang wilayah yang dapat diamati. Segala sesuatu yang lain harus disimpulkan berdasarkan asumsi setiap ilmuwan.
SLOAN DIGITAL SKY SURVEY

Keadaan kosmos saat ini tak sekadar dingin dan mengelompok, tetapi juga meluas dan mengandung gaya gravitasi. Saat kita melihat ke jarak yang sangat jauh, selain melihat objek-objek kosmik yang sangat jauh, kita juga kembali ke masa lalu. Wilayah jauh alam semesta kurang mengelompok dan cenderung homegen, karena gaya gravitasi saat itu hanya memiliki lebih sedikit waktu untuk membentuk struktur yang ukurannya lebih besar dan kompleks.

Alam semesta jauh saat pertama kali terbentuk juga lebih panas. Ekspansi kosmos menyebabkan semua cahaya yang mengarungi ruang dibentangkan ke panjang gelombang yang lebih panjang. Saat membentang, panjang gelombang kehilangan energi dan menjadi lebih dingin. Fenomena ini mengindikasikan alam semesta lebih panas di masa lalu, fakta yang telah dikonfirmasi melalui pengamatan fitur-fitur kosmik yang terletak begitu jauh.

Studi pada tahun 2011 (titik merah) telah memberikan bukti terbaik tentang suhu latar belakang gelombang mikro kosmik yang lebih panas di masa lalu. Sifat suhu dan spektral cahaya jauh menegaskan bahwa kita hidup dalam ekspansi ruang.
P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX DAN S. LÓPEZ, (2011). ASTRONOMI & ASTROPHYSICS, 526, L7

Kita dapat mengukur suhu alam semesta 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, dengan melihat sisa radiasi termal yang disebut "latar belakang gelombang mikro kosmik" yang muncul di wilayah spektrum gelombang mikro. Studi pada tahun 2011 menentukan suhu latar belakang gelombang mikro kosmik sekitar 2.725 derajat Kelvin, yang menjadi bukti kuat teori Big Bang.

Cahaya Matahari (kurva kuning, kiri) yang disandingkan dengan blackbody, objek yang menyerap seluruh radiasi elektromagnetik (warna abu-abu), menunjukkan Matahari tak sekadar serangkaian blackbody karena ketebalan fotosfernya. Di sebelah kanan adalah blackbody sempurna dari latar belakang gelombang mikro kosmik yang diukur oleh satelit COBE. Perhatikan bahwa ada “kesalahan grafik” di sebelah kanan hingga 400 sigma. Kesesuaian teori dan observasi yang dianggap sangat bersejarah.
WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/ IRAS, NASA/JPL-CALTECH (R)

Selain itu, kita tahu bagaimana radiasi purba ini berevolusi dalam wujud energi saat volume alam semesta meluas. Energi foton berbanding lurus dengan kebalikan panjang gelombangnya. Saat volume kosmos hanya setengah dari ukurannya saat ini, energi foton yang berasal dari Big Bang dua kali lipat lebih kuat, sedangkan saat volume kosmos hanya 10% dari ukurannya saat ini, energi foton sepuluh kali lipat lebih kuat. Jika kita kembali ke era saat volume alam semesta hanya 0,092% dari ukurannya saat ini, berarti alam semesta 10 pangkat 89 kali lebih panas, sekitar 3.000 derajat Kelvin. Dengan suhu sepanas ini, kosmos menginonisasi semua atom di dalamnya. Bukannya berwujud padat, cair, atau gas, semua bentuk materi di seluruh kosmos saat itu adalah plasma terionisasi.

Alam semesta saat elektron dan proton dalam keadaan bebas dan bertabrakan dengan transisi foton yang kemudian menjadi netral dan membentuk foton transparan seiring ekspansi dan mendinginnya alam semesta. Ditampilkan dalam gambar adalah plasma terionisasi (L) sebelum emisi latar belakang gelombang mikro kosmik, diikuti oleh transisi ke foton netral dan transparan.
(R). AMANDA YOHO

Cara kita mendapatkan perhitungan ukuran alam semesta saat ini adalah melalui pemahaman tiga hal sekaligus:

1. Seberapa cepat ekspansi kosmos saat ini, yang bisa kita ukur melalui sejumlah metode,
2. Seberapa panas alam semesta saat ini, yang kita ketahui dari radiasi termal latar belakang gelombang mikro kosmik,
3. Komposisi yang menyusun alam semesta, termasuk materi, radiasi, neutrino, antimateri, materi gelap, energi gelap, dll.

Dengan ketiga hal ini, kita dapat mengekstrapolasikan kembali ke tahap kosmos paling awal, Big Bang, yang mengarahkan kita untuk menentukan usia dan ukuran alam semesta secara bersamaan.

Ukuran Alam Semesta dalam tahun cahaya, dibandingkan jumlah waktu yang berlalu sejak Big Bang, disajikan dalam skala logaritmik, dengan sejumlah fenomena penting dianotasikan untuk memudahkan penjelasan. Skala ini hanya berlaku untuk alam semesta teramati.
E. SIEGEL

Dari serangkaian observasi, antara lain melalui latar belakang gelombang mikro kosmik, data supernova, survei struktur berskala besar, dan osilasi akustik barion, kita mendapatkan pemahaman tentang alam semesta. 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, radius kosmos kini mencapai 46,1 miliar tahun cahaya. Itulah batas dari apa yang bisa kita amati. Lebih jauh dari itu, bahkan sesuatu yang melaju secepat cahaya sejak Big Bang, tidak memiliki waktu untuk mencapai kita. Seiring waktu, usia dan ukuran kosmos terus meningkat, tetapi selalu ada batas untuk apa yang bisa kita amati.

Artikel selanjutnya: Seberapa Besar Alam Semesta yang Tak Teramati? (Bagian 2)