Ahli kosmologi adalah penjelajah waktu intelektual. Melihat ke belakang selama milyaran tahun, para ilmuwan ini dapat melacak evolusi Semesta kita dengan detail menakjubkan. Selama ribuan tahun berikutnya, kosmos kita telah tumbuh sedemikian besarnya sehingga kita tidak bisa lagi melihat sisi lain darinya.
Tapi bagaimana ini bisa terjadi? Jika kecepatan cahaya menandai batas kecepatan kosmik, bagaimana mungkin ada wilayah ruangwaktu yang fotonnya selamanya berada di luar jangkauan kita? Dan bahkan jika ada, bagaimana kita tahu bahwa mereka ada?
Alam Semesta yang Berkembang
Seperti semua hal lain dalam fisika, Semesta kita berusaha untuk eksis dalam kondisi energi serendah mungkin. Tetapi sekitar 10-36 detik setelah Big Bang, ahli kosmologi inflasi percaya bahwa kosmos mendapati dirinya beristirahat di “energi vakum palsu” - titik rendah yang sebenarnya bukan titik rendah. Mencari titik terendah sebenarnya dari energi vakum, lebih dari satu menit dari sesaat, Semesta diperkirakan telah menggelembung oleh faktor 1050.
Sejak saat itu, Alam Semesta kita terus berkembang, tetapi pada kecepatan yang jauh lebih lambat. Kami melihat bukti ekspansi ini dalam cahaya dari objek yang jauh. Saat foton yang dipancarkan oleh bintang atau galaksi merambat melintasi Semesta, peregangan ruang menyebabkan mereka kehilangan energi. Setelah foton mencapai kita, panjang gelombang mereka telah di-redshift sesuai dengan jarak yang telah mereka tempuh.
Inilah sebabnya mengapa kosmolog berbicara tentang pergeseran merah sebagai fungsi jarak dalam ruang dan waktu. Cahaya dari benda-benda yang jauh ini telah bepergian begitu lama sehingga, ketika kita akhirnya melihatnya, kita melihat benda-benda itu seperti miliaran tahun yang lalu.
Volume Hubble
Cahaya redshifted memungkinkan kita untuk melihat objek seperti galaksi seperti yang ada di masa lalu; tetapi kita tidak bisa melihat semua peristiwa yang terjadi di Alam Semesta kita selama sejarahnya. Karena kosmos kita mengembang, cahaya dari beberapa benda terlalu jauh untuk kita lihat.
Fisika batas itu bergantung, sebagian, pada sepotong ruangwaktu sekitarnya yang disebut volume Hubble. Di Bumi, kita mendefinisikan volume Hubble dengan mengukur sesuatu yang disebut parameter Hubble (H0), nilai yang menghubungkan kecepatan resesi nyata dari objek yang jauh dengan pergeseran merahnya. Ini pertama kali dihitung pada tahun 1929, ketika Edwin Hubble menemukan bahwa galaksi yang jauh tampaknya bergerak menjauh dari kita pada tingkat yang sebanding dengan pergeseran merah cahaya mereka.
Membagi kecepatan cahaya dengan H0, kami mendapatkan volume Hubble. Gelembung bulat ini membungkus suatu wilayah di mana semua benda bergerak menjauh dari pengamat pusat dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya. Sejalan dengan itu, semua objek di luar volume Hubble menjauh dari pusatlebih cepat dari kecepatan cahaya.
Ya, "lebih cepat dari kecepatan cahaya." Bagaimana ini mungkin?
Keajaiban Relativitas
Jawabannya berkaitan dengan perbedaan antara relativitas khusus dan relativitas umum. Relativitas khusus membutuhkan apa yang disebut "kerangka referensi inersia" - lebih sederhana, latar belakang. Menurut teori ini, kecepatan cahaya adalah sama jika dibandingkan di semua kerangka referensi inersia. Apakah seorang pengamat duduk diam di bangku taman di planet Bumi atau meluncur melewati Neptunus dalam roket berkecepatan tinggi futuristik, kecepatan cahaya selalu sama. Sebuah foton selalu bergerak menjauh dari pengamat dengan kecepatan 300.000.000 meter per detik, dan ia tidak akan pernah bisa mengejar ketinggalan.
Relativitas umum, bagaimanapun, menggambarkan struktur ruangwaktu itu sendiri. Dalam teori ini, tidak ada kerangka referensi inersia. Ruangwaktu tidak berkembang sehubungan dengan apa pun di luar dirinya, sehingga kecepatan cahaya sebagai batas kecepatannya tidak berlaku. Ya, galaksi di luar bola Hubble kami berkurang dari kita lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Tetapi galaksi itu sendiri tidak melanggar batas kecepatan kosmik apa pun. Bagi seorang pengamat di salah satu galaksi itu, tidak ada yang melanggar relativitas khusus sama sekali. Ini adalah ruang di antara kita dan galaksi-galaksi yang dengan cepat berkembang biak dan meregang secara eksponensial.
Alam Semesta yang Dapat Diobservasi
Sekarang untuk bom berikutnya: Volume Hubble tidak sama dengan Semesta yang dapat diamati.
Untuk memahami hal ini, pertimbangkan bahwa seiring bertambahnya usia, cahaya jauh memiliki lebih banyak waktu untuk mencapai detektor kami di Bumi. Kita dapat melihat objek yang berakselerasi melampaui volume Hubble kita saat ini karena cahaya yang kita lihat hari ini dipancarkan ketika mereka berada di dalamnya.
Sebenarnya, Alam Semesta yang kita amati bertepatan dengan sesuatu yang disebut horizon partikel. Cakrawala partikel menandai jarak ke cahaya terjauh yang mungkin dapat kita lihat saat ini - foton yang memiliki cukup waktu untuk tetap berada di dalam, atau mengejar, bola Hubble kami yang mengembang dengan lembut.
Dan berapa jarak ini? Sedikit lebih dari 46 miliar tahun cahaya di setiap arah - memberikan diameter yang dapat diamati kepada Semesta kita sekitar 93 miliar tahun cahaya, atau lebih dari 500 miliar triliun mil.
(Catatan singkat: cakrawala partikel tidak sama dengan horizon peristiwa kosmologis. Cakrawala partikel mencakup semua peristiwa di masa lalu yang saat ini dapat kita lihat. Cakrawala peristiwa kosmologis, di sisi lain, mendefinisikan jarak di mana seorang pengamat masa depan akan dapat melihat cahaya pada zaman dahulu yang dipancarkan sudut ruangwaktu kecil kita hari ini.
Dengan kata lain, horizon partikel berhadapan dengan jarak ke objek masa lalu yang cahaya purba yang bisa kita lihat hari ini; cakrawala peristiwa kosmologis berkaitan dengan jarak yang cahaya kita saat ini yang dapat bepergian sebagai daerah yang jauh dari Semesta melaju menjauh dari kita.)
Energi Gelap
Berkat ekspansi Semesta, ada wilayah-wilayah kosmos yang tidak akan pernah kita lihat, bahkan jika kita bisa menunggu waktu yang tak terbatas hingga cahaya mereka mencapai kita. Tetapi bagaimana dengan area-area tersebut di luar jangkauan volume Hubble kita saat ini? Jika bola itu juga mengembang, apakah kita akan dapat melihat objek batas itu?
Ini tergantung pada wilayah mana yang berkembang lebih cepat - volume Hubble atau bagian-bagian Semesta di luarnya. Dan jawaban untuk pertanyaan itu tergantung pada dua hal: 1) apakah H0 meningkat atau menurun, dan 2) apakah Semesta mengalami percepatan atau perlambatan. Kedua tingkat ini terkait erat, tetapi keduanya tidak sama.
Faktanya, kosmolog percaya bahwa kita sebenarnya hidup di masa ketika H0 menurun; tetapi karena energi gelap, kecepatan ekspansi Semesta meningkat.
Itu mungkin terdengar berlawanan dengan intuisi, tetapi selama H0 berkurang dengan lebih lambat menilai dari pada itu di mana kecepatan ekspansi Alam Semesta meningkat, keseluruhan pergerakan galaksi menjauh dari kita masih terjadi pada kecepatan yang dipercepat. Dan pada saat ini, para kosmolog percaya bahwa ekspansi Semesta akan melebihi pertumbuhan volume Hubble yang lebih sederhana.
Jadi meskipun volume Hubble kami berkembang, pengaruh energi gelap tampaknya memberikan batas yang sulit bagi Alam Semesta yang dapat diamati yang terus meningkat.
Keterbatasan Bumi Kita
Ahli kosmologi tampaknya memiliki pegangan yang baik pada pertanyaan mendalam seperti apa jagat raya kita yang akan diamati kelak dan bagaimana perluasan kosmos akan berubah. Tetapi pada akhirnya, para ilmuwan hanya dapat berteori jawaban untuk pertanyaan tentang masa depan berdasarkan pemahaman mereka saat ini tentang Alam Semesta. Rentang waktu kosmologis begitu lama sehingga tidak mungkin untuk mengatakan banyak hal konkret tentang bagaimana Semesta akan berperilaku di masa depan. Model saat ini sesuai dengan data saat ini dengan sangat baik, tetapi kenyataannya adalah tidak ada dari kita yang akan hidup cukup lama untuk melihat apakah prediksi tersebut benar-benar cocok dengan semua hasil.
Mengecewakan? Tentu. Tetapi benar-benar sepadan dengan upaya untuk membantu otak kita yang kecil mempertimbangkan sains yang membuat blog-pikiran seperti itu - kenyataan yang, seperti biasa, benar-benar orang asing daripada fiksi.
