Menurut model kosmologis Dentuman Besar, Semesta kita mulai 13,8 miliar tahun yang lalu ketika semua materi dan energi di kosmos mulai mengembang. Periode "inflasi kosmik" ini diyakini sebagai yang menyumbang struktur skala besar Alam Semesta dan mengapa ruang dan Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik (CMB) tampaknya sebagian besar seragam di segala arah.
Namun, hingga saat ini, tidak ada bukti yang ditemukan yang dapat membuktikan skenario inflasi kosmik atau mengesampingkan teori alternatif. Tetapi berkat sebuah studi baru oleh tim astronom dari Universitas Harvard dan Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, CfA, para ilmuwan dapat memiliki cara baru untuk menguji salah satu bagian penting dari model kosmologis Big Bang.
Makalah mereka, berjudul "Sidik Jari Unik Alternatif untuk Inflasi di Primordial Power Spectrum", baru-baru ini muncul online dan sedang dipertimbangkan untuk publikasi di Surat Tinjauan Fisik. Studi ini dilakukan oleh Xingang Chen dan Abraham Loeb - seorang dosen senior di Universitas Harvard dan Ketua Astronomi Frank D. Baird di Universitas Harvard, masing-masing - dan Zhong-Zhi Xianyu, seorang mahasiswa pascadoktoral dengan Departemen Fisika di Universitas Harvard.
Ringkasnya, dalam kosmologi fisik, teori inflasi kosmik menyatakan bahwa pada 10-36 detik setelah Big Bang, singularitas tempat semua materi dan energi terkonsentrasi mulai mengembang. "Era Inflasi" ini diyakini telah berlangsung hingga 10-33 ke 10-32 detik setelah Big Bang; setelah itu, Semesta mulai berkembang lebih lambat. Sesuai dengan teori ini, ekspansi awal Semesta lebih cepat daripada kecepatan cahaya.
Teori bahwa zaman seperti itu ada berguna bagi kosmolog karena membantu menjelaskan mengapa alam semesta memiliki kondisi yang hampir sama di daerah yang sangat jauh satu sama lain. Pada dasarnya, jika kosmos berasal dari volume kecil ruang yang meningkat menjadi lebih besar dari yang kita saksikan sekarang, itu akan menjelaskan mengapa struktur alam semesta berskala besar hampir seragam dan homogen.
Namun, ini sama sekali bukan satu-satunya penjelasan tentang bagaimana Semesta menjadi, dan kemampuan untuk memalsukan salah satu dari mereka secara historis kurang. Seperti yang Profesor Abraham Loeb katakan kepada Space Magazine melalui email:
“Meskipun banyak properti yang diamati dari struktur dalam alam semesta kita konsisten dengan skenario inflasi, ada begitu banyak model inflasi sehingga sulit untuk memalsukannya. Inflasi juga mengarah pada gagasan multiverse di mana segala sesuatu yang dapat terjadi akan terjadi dalam jumlah tak terhingga kali, dan teori semacam itu tidak mungkin dipalsukan melalui eksperimen, yang merupakan merek dagang dari fisika tradisional. Pada saat ini, ada beberapa skenario yang saling bersaing yang tidak melibatkan inflasi, di mana alam semesta pertama kali berkontraksi dan kemudian memantul alih-alih mulai pada Big Bang. Skenario ini bisa cocok dengan inflasi yang dapat diamati saat ini. ”
Demi studi mereka, Loeb dan rekan-rekannya mengembangkan cara model-independen untuk membedakan inflasi dari skenario alternatif. Pada dasarnya, mereka mengusulkan bahwa bidang besar di alam semesta purba akan mengalami fluktuasi kuantum dan gangguan kepadatan yang secara langsung akan merekam skala Alam Semesta awal sebagai fungsi waktu - yaitu mereka akan bertindak sebagai semacam "jam standar Alam Semesta".
Dengan mengukur sinyal yang mereka prediksi akan datang dari bidang-bidang ini, mereka berhipotesis bahwa kosmolog akan dapat mengetahui apakah ada variasi kepadatan yang diunggulkan selama kontrak atau fase perluasan dari Semesta awal. Ini secara efektif akan memungkinkan mereka untuk mengesampingkan alternatif inflasi kosmik (seperti skenario Big Bounce). Seperti yang dijelaskan Loeb:
“Dalam kebanyakan skenario, adalah wajar untuk memiliki medan masif di alam semesta awal. Gangguan di bidang besar pada skala spasial tertentu berosilasi dalam waktu seperti bola naik dan turun di sumur potensial, di mana massa menentukan frekuensi osilasi. Tetapi evolusi dari perturbasi juga tergantung pada skala spasial yang dipertimbangkan serta faktor skala latar belakang (yang meningkat secara eksponensial selama model inflasi umum tetapi menurun dalam model kontrak). "
Gangguan ini, kata Loeb, akan menjadi sumber segala variasi kepadatan yang diamati oleh para astronom di Space Magazine. Bagaimana variasi-variasi ini dibentuk dapat ditentukan dengan mengamati latar belakang alam semesta - khususnya, apakah itu meluas atau berkontraksi, yang dapat dibedakan oleh para astronom.
"Dalam metafora saya, faktor skala dari alam semesta memengaruhi kecepatan di mana sebuah kaset ditarik ketika jam meninggalkan tanda centang di atasnya," tambah Loeb. "Sinyal baru yang kami prediksi dicetak pada bagaimana tingkat ketidak-seragaman di alam semesta berubah dengan skala spasial."
Singkatnya, Loeb dan rekan-rekannya mengidentifikasi sinyal potensial yang dapat diukur menggunakan instrumen saat ini. Ini termasuk mereka yang telah mempelajari Cosmic Microwave Background (CMB) - seperti ESA Planck observatorium ruang angkasa - dan mereka yang telah melakukan survei galaksi - Survei Langit Digital Sloan, Teleskop Survei VLT, teleskop Capung, dll.
Dalam studi sebelumnya, telah disarankan bahwa variasi kepadatan di Alam semesta primordial dapat dideteksi dengan mencari bukti non-Gaussianities, yang merupakan koreksi untuk estimasi fungsi Gaussian untuk pengukuran kuantitas fisik - dalam hal ini, CMB. Tapi seperti yang dikatakan Loeb, ini belum terdeteksi:
"Sinyal osilasi baru berada dalam spektrum kekuatan gangguan kepadatan primordial (yang secara rutin diukur dari latar belakang gelombang mikro kosmik [CMB] atau survei galaksi), sedangkan saran sebelumnya dalam literatur melibatkan efek terkait dengan non-Gaussianities, yang jauh lebih menantang untuk diukur (dan belum terdeteksi hingga saat ini). Hasil yang disajikan dalam makalah kami sangat tepat waktu karena set data yang diperluas dikumpulkan oleh pengamatan baru anisotropi CMB dan survei galaksi. "
Memahami bagaimana Semesta dimulai, mungkin merupakan pertanyaan paling mendasar dalam sains dan kosmologi. Jika dengan menerapkan metode ini, penjelasan alternatif tentang bagaimana Semesta mulai dapat dikesampingkan, itu akan membawa kita satu langkah lebih dekat untuk menentukan asal usul waktu, ruang, dan kehidupan itu sendiri. Pertanyaan "dari mana kita berasal?" dan "bagaimana semuanya dimulai?" mungkin akhirnya memiliki jawaban yang pasti!
