Gambar radiasi latar gelombang mikro kosmik, yang diambil oleh satelit Planck dari European Space Agency (ESA) pada tahun 2013, menunjukkan variasi kecil di langit
(Gambar: © Kolaborasi ESA / Planck)
Latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) dianggap radiasi sisa dari Big Bang, atau saat ketika alam semesta dimulai. Menurut teori, ketika alam semesta lahir, ia mengalami inflasi dan ekspansi yang cepat. (Alam semesta masih berkembang hingga hari ini, dan laju ekspansi tampak berbeda tergantung di mana Anda melihat). CMB mewakili panas yang tersisa dari Big Bang.
Anda tidak dapat melihat CMB dengan mata telanjang, tetapi ada di mana-mana di alam semesta. Itu tidak terlihat oleh manusia karena sangat dingin, hanya 2,725 derajat di atas nol absolut (minus 459,67 derajat Fahrenheit, atau minus 273,15 derajat Celcius.) Ini berarti radiasi yang paling terlihat di bagian gelombang mikro dari spektrum elektromagnetik.
Asal dan penemuan
Alam semesta dimulai 13,8 miliar tahun yang lalu, dan CMB berawal sekitar 400.000 tahun setelah Big Bang. Itu karena pada tahap awal alam semesta, ketika ukurannya hanya seperseratus juta saat ini, suhunya ekstrem: 273 juta derajat atas nol mutlak, menurut NASA.
Setiap atom yang hadir pada saat itu dengan cepat dipecah menjadi partikel kecil (proton dan elektron). Radiasi dari CMB dalam foton (partikel yang mewakili kuantum cahaya, atau radiasi lainnya) tersebar dari elektron. "Jadi, foton mengembara melalui alam semesta awal, sama seperti cahaya optik mengembara melalui kabut tebal," tulis NASA.
Sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang, alam semesta cukup dingin sehingga hidrogen dapat terbentuk. Karena foton CMB hampir tidak terpengaruh oleh pemukulan hidrogen, foton bergerak dalam garis lurus. Ahli kosmologi merujuk pada "permukaan hamburan terakhir" ketika foton CMB mengenai materi terakhir; setelah itu, alam semesta terlalu besar. Jadi ketika kita memetakan CMB, kita melihat ke masa 380.000 tahun setelah Big Bang, tepat setelah alam semesta tidak tembus cahaya terhadap radiasi.
Ahli kosmologi Amerika Ralph Apher pertama kali meramalkan CMB pada tahun 1948, ketika dia melakukan pekerjaan dengan Robert Herman dan George Gamow, menurut NASA. Tim tersebut sedang melakukan penelitian terkait nukleosintesis Big Bang, atau produksi unsur-unsur di alam semesta selain isotop (tipe) hidrogen yang paling ringan. Jenis hidrogen ini diciptakan sangat awal dalam sejarah alam semesta.
Tetapi CMB pertama kali ditemukan secara tidak sengaja. Pada tahun 1965, dua peneliti dari Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias dan Robert Wilson) menciptakan penerima radio, dan bingung oleh suara yang diangkatnya. Mereka segera menyadari bahwa suara datang secara seragam dari seluruh langit. Pada saat yang sama, sebuah tim di Universitas Princeton (dipimpin oleh Robert Dicke) sedang berusaha menemukan CMB. Tim Dicke mendapat angin dari percobaan Bell dan menyadari CMB telah ditemukan.
Kedua tim dengan cepat menerbitkan makalah di Astrophysical Journal pada tahun 1965, dengan Penzias dan Wilson berbicara tentang apa yang mereka lihat, dan tim Dicke menjelaskan apa artinya dalam konteks alam semesta. (Belakangan, Penzias dan Wilson sama-sama menerima Hadiah Nobel Fisika 1978).
Belajar lebih terinci
CMB bermanfaat bagi para ilmuwan karena membantu kita mempelajari bagaimana alam semesta awal terbentuk. Itu pada suhu yang seragam dengan hanya fluktuasi kecil yang terlihat dengan teleskop yang presisi. "Dengan mempelajari fluktuasi ini, kosmolog dapat mempelajari tentang asal usul galaksi dan struktur galaksi berskala besar dan mereka dapat mengukur parameter dasar teori Big Bang," tulis NASA.
Sementara bagian-bagian CMB dipetakan pada dekade-dekade berikutnya setelah penemuannya, peta angkasa penuh berbasis ruang pertama datang dari misi Cosmic Background Explorer (COBE) NASA, yang diluncurkan pada tahun 1989 dan menghentikan operasi sains pada tahun 1993. ”Alam semesta, demikian NASA menyebutnya, mengkonfirmasi prediksi teori Big Bang dan juga menunjukkan petunjuk struktur kosmik yang tidak terlihat sebelumnya. Pada tahun 2006, Hadiah Nobel dalam bidang fisika diberikan kepada ilmuwan COBE John Mather di NASA Goddard Space Flight Center, dan George Smoot di University of California, Berkeley.
Sebuah peta yang lebih terperinci datang pada tahun 2003 atas izin Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), yang diluncurkan pada Juni 2001 dan berhenti mengumpulkan data sains pada 2010. Gambar pertama mematok usia alam semesta pada 13,7 miliar tahun (pengukuran sejak disempurnakan menjadi 13,8 miliar) tahun) dan juga mengungkapkan kejutan: bintang tertua mulai bersinar sekitar 200 juta tahun setelah Big Bang, jauh lebih awal dari yang diperkirakan.
Para ilmuwan menindaklanjuti hasil-hasil tersebut dengan mempelajari tahap-tahap inflasi awal alam semesta (dalam sepersepuluh detik setelah pembentukan) dan dengan memberikan parameter yang lebih tepat pada kerapatan atom, kekenyalan alam semesta dan sifat-sifat lain dari alam semesta tak lama setelah terbentuk. Mereka juga melihat asimetri yang aneh dalam suhu rata-rata di kedua belahan langit, dan "titik dingin" yang lebih besar dari yang diperkirakan. Tim WMAP menerima Hadiah Terobosan Fisika Dasar 2018 untuk pekerjaan mereka.
Pada 2013, data dari teleskop ruang Planck Badan Antariksa Eropa dirilis, menunjukkan gambar presisi tertinggi dari CMB. Para ilmuwan mengungkap misteri lain dengan informasi ini: Fluktuasi CMB pada skala bersudut besar tidak sesuai dengan prediksi. Planck juga mengkonfirmasi apa yang dilihat WMAP dalam hal asimetri dan titik dingin. Rilis data final Planck pada tahun 2018 (misi yang dioperasikan antara 2009 dan 2013) menunjukkan lebih banyak bukti bahwa materi gelap dan energi gelap - kekuatan misterius yang kemungkinan ada di balik percepatan alam semesta - tampaknya ada.
Upaya penelitian lain telah berusaha untuk melihat berbagai aspek CMB. Salah satunya adalah menentukan jenis polarisasi yang disebut E-mode (ditemukan oleh Degree Angular Scale Interferometer berbasis Antartika pada 2002) dan B-mode. B-mode dapat diproduksi dari pelensaan gravitasi dari E-mode (pelensaan ini pertama kali dilihat oleh Teleskop Kutub Selatan pada 2013) dan gelombang gravitasi (yang pertama kali diamati pada tahun 2016 menggunakan Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, atau LIGO). Pada tahun 2014, instrumen BICEP2 yang berbasis di Antartika dikatakan telah menemukan gelombang-B mode gravitasi, tetapi pengamatan lebih lanjut (termasuk pekerjaan dari Planck) menunjukkan hasil ini disebabkan oleh debu kosmik.
Pada pertengahan 2018, para ilmuwan masih mencari sinyal yang menunjukkan periode singkat ekspansi alam semesta segera setelah Big Bang. Pada saat itu, alam semesta menjadi lebih besar dengan kecepatan lebih cepat dari kecepatan cahaya. Jika ini terjadi, peneliti menduga ini harus terlihat di CMB melalui bentuk polarisasi. Sebuah studi tahun itu menunjukkan bahwa cahaya dari nanodiamonds menciptakan cahaya yang samar tapi dapat dilihat yang mengganggu pengamatan kosmik. Sekarang cahaya ini diperhitungkan, investigasi di masa depan dapat menghapusnya untuk lebih mencari polarisasi samar di CMB, penulis penelitian mengatakan pada saat itu.
Sumber daya tambahan
- NASA: Tes Big Bang: CMB
