Selama ribuan tahun, manusia telah menyaksikan bintang-bintang dan bertanya-tanya bagaimana jadinya alam semesta. Tetapi baru pada tahun-tahun Perang Dunia I para peneliti mengembangkan instrumen pengamatan pertama dan alat teoretis untuk mengubah pertanyaan-pertanyaan besar itu menjadi bidang studi yang tepat: kosmologi.
"Saya menganggap kosmologi sebagai salah satu subjek tertua minat manusia tetapi sebagai salah satu ilmu terbaru," kata Paul Steinhardt, seorang kosmolog di Universitas Princeton yang mempelajari apakah waktu memiliki permulaan.
Singkatnya, kosmologi, mempelajari kosmos sebagai satu kesatuan, daripada menganalisis secara terpisah bintang, lubang hitam, dan galaksi yang mengisinya. Bidang ini mengajukan pertanyaan besar: Dari mana datangnya alam semesta? Mengapa ia memiliki bintang, galaksi dan gugusan galaksi? Apa yang akan terjadi selanjutnya? "Kosmologi berusaha membuat gambar berskala sangat besar tentang sifat alam semesta," kata Glennys Farrar, fisikawan partikel di Universitas New York.
Karena disiplin ini bergulat dengan banyak fenomena, mulai dari partikel di ruang hampa hingga jalinan ruang dan waktu, kosmologi sangat menarik di banyak bidang, termasuk astronomi, astrofisika dan, semakin, fisika partikel.
"Kosmologi memiliki bagian-bagiannya yang sepenuhnya dalam fisika, bagian-bagian yang sepenuhnya dalam astrofisika, dan bagian-bagian yang bolak-balik," kata Steinhardt. "Itu bagian dari kegembiraan."
Sejarah sejarah alam semesta
Sifat interdisipliner bidang membantu menjelaskan awal yang relatif terlambat. Gambaran modern kita tentang alam semesta mulai bersatu hanya pada 1920-an, tak lama setelah Albert Einstein mengembangkan teori relativitas umum, kerangka matematika yang menggambarkan gravitasi sebagai konsekuensi dari pembengkokan ruang dan waktu.
"Sebelum Anda memahami sifat gravitasi, Anda tidak bisa benar-benar membuat teori tentang mengapa segala sesuatunya seperti itu," kata Steinhardt. Kekuatan lain memiliki efek lebih besar pada partikel, tetapi gravitasi adalah pemain utama di arena planet, bintang, dan galaksi. Deskripsi gravitasi Isaac Newton sering bekerja di dunia itu juga, tetapi memperlakukan ruang (dan waktu) sebagai latar belakang yang kaku dan tidak berubah untuk mengukur peristiwa. Karya Einstein menunjukkan bahwa ruang itu sendiri dapat mengembang dan berkontraksi, menggeser alam semesta dari panggung ke aktor dan membawanya ke medan sebagai objek dinamis untuk dipelajari.
Pada pertengahan 1920-an, astronom Edwin Hubble melakukan pengamatan dari teleskop Hooker 100-inci (254 sentimeter) yang baru-baru ini dibangun di Observatorium Mount Wilson di California. Dia berusaha menyelesaikan perdebatan tentang lokasi awan tertentu di ruang angkasa yang bisa dilihat oleh para astronom. Hubble membuktikan bahwa "nebula" ini tidak kecil, awan lokal tetapi sebaliknya, gugusan bintang jauh yang jauh mirip dengan Bima Sakti kita sendiri - "alam semesta pulau" dalam bahasa waktu itu. Hari ini, kita menyebutnya galaksi dan tahu bahwa jumlahnya berjumlah triliunan.
Gejolak terbesar dalam perspektif kosmik belum datang. Pekerjaan Hubble pada akhir 1920-an menunjukkan bahwa galaksi di segala arah melaju cepat dari kita, memicu puluhan tahun perdebatan lebih lanjut. Pengukuran terakhir dari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) - cahaya yang tersisa dari tahun-tahun awal alam semesta dan sejak membentang menjadi gelombang mikro - pada 1960-an membuktikan bahwa kenyataan cocok dengan salah satu kemungkinan yang disarankan oleh relativitas umum: Memulai dari yang kecil dan panas, alam semesta memiliki semakin besar dan dingin sejak saat itu. Konsep ini dikenal sebagai teori Big Bang, dan mengguncang kosmologis karena menyiratkan bahwa bahkan alam semesta dapat memiliki awal dan akhir.
Tapi setidaknya para astronom itu bisa melihat gerakan galaksi di teleskop mereka. Salah satu perubahan kosmologi yang paling seismik, kata Farrar, adalah gagasan bahwa sebagian besar barang di luar sana terbuat dari sesuatu yang lain, sesuatu yang sama sekali tidak terlihat. Materi yang dapat kita lihat jumlahnya sedikit lebih dari kesalahan pembulatan kosmik - hanya sekitar 5% dari semua yang ada di alam semesta.
Penduduk pertama dari 95% lainnya di alam semesta, yang kemudian disebut "sektor gelap," mengangkat kepalanya pada tahun 1970-an. Pada saat itu, astronom Vera Rubin menyadari bahwa galaksi berputar-putar begitu cepat sehingga mereka harus memecah diri. Lebih dari masalah yang sulit dilihat, kata Farrar, benda-benda yang menjaga galaksi bersama-sama harus menjadi sesuatu yang sama sekali tidak diketahui oleh fisikawan, sesuatu yang - kecuali tarikan gravitasinya - benar-benar mengabaikan materi dan cahaya biasa. Kemudian pemetaan mengungkapkan bahwa galaksi yang kita lihat hanyalah inti di pusat bola "materi gelap" kolosal. Filamen-filamen materi kasat mata yang membentang di alam semesta tergantung pada bingkai gelap yang lebih besar dari partikel yang terlihat lima banding satu.
Teleskop luar angkasa Hubble kemudian menemukan tanda-tanda variasi energi yang tak terduga - yang menurut para ahli kosmologi saat ini menyumbang 70% sisanya dari alam semesta setelah memperhitungkan materi gelap (25%) dan materi terlihat (5%) - pada 1990-an, ketika melihat ekspansi jagat raya melaju kencang seperti kereta yang melaju. "Energi gelap," mungkin jenis energi yang melekat pada ruang itu sendiri, mendorong alam semesta terpisah lebih cepat daripada gravitasi yang dapat menyatukan kosmos. Dalam satu triliun tahun, setiap astronom yang tersisa di Bima Sakti akan menemukan diri mereka di alam semesta pulau sejati, diselimuti oleh kegelapan.
"Kami berada pada titik transisi dalam sejarah alam semesta, dari tempat itu didominasi oleh materi ke tempat itu didominasi oleh bentuk energi baru," kata Steinhardt. "Materi gelap menentukan masa lalu kita. Energi gelap akan menentukan masa depan kita."
Kosmologi modern dan masa depan
Kosmologi saat ini mengemas penemuan-penemuan penting ini ke dalam pencapaian puncaknya, model Lambda-CDM. Kadang-kadang disebut model standar kosmologi, kumpulan persamaan ini menggambarkan alam semesta sejak sekitar detik pertama dan selanjutnya. Model ini mengasumsikan sejumlah energi gelap (lambda, untuk keterwakilannya dalam relativitas umum) dan materi gelap dingin (CDM) dan membuat perkiraan serupa tentang jumlah materi yang terlihat, bentuk alam semesta dan karakteristik lainnya, semua ditentukan oleh eksperimen dan observasi.
Mainkan film bayi-semesta ke depan 13,8 miliar tahun, dan kosmolog mendapatkan gambaran bahwa "secara statistik memiliki semua yang dapat kita ukur hingga titik tertentu," kata Steinhardt. Model ini mewakili target untuk dikalahkan sebagai kosmolog mendorong deskripsi mereka tentang alam semesta lebih dalam ke masa lalu dan ke masa depan.
Sesukses Lambda-CDM, masih ada banyak ketegaran yang perlu diselesaikan. Ahli kosmologi mendapatkan hasil yang bertentangan ketika mereka mencoba mempelajari ekspansi alam semesta saat ini, tergantung pada apakah mereka mengukurnya langsung di galaksi terdekat atau menyimpulkannya dari CMB. Model ini juga tidak mengatakan apa pun tentang susunan materi gelap atau energi.
Kemudian ada detik pertama yang merepotkan dari keberadaan, ketika alam semesta mungkin berubah dari titik yang sangat kecil ke gelembung yang secara relativistik berperilaku baik. "Inflasi" adalah teori populer yang mencoba menangani periode ini, menjelaskan bagaimana momen singkat dari ekspansi yang lebih cepat meledakkan variasi primordial yang sangat kecil ke dalam ketidakseimbangan skala besar dari galaksi saat ini, serta bagaimana input Lambda-CDM mendapatkan nilai-nilai mereka .
Namun, tidak ada yang tahu bagaimana inflasi bekerja secara terperinci, atau mengapa inflasi berhenti di tempat yang seharusnya. Steinhardt mengatakan bahwa inflasi seharusnya terus berlanjut di banyak wilayah ruang angkasa, menyiratkan bahwa alam semesta kita hanyalah satu irisan "multiverse" yang mengandung setiap realitas fisik yang mungkin - sebuah gagasan yang tidak dapat diuji yang oleh banyak peneliti dianggap meresahkan.
Untuk membuat kemajuan pada pertanyaan-pertanyaan seperti ini, para kosmolog melihat ke pengukuran presisi dari teleskop berbasis-ruang seperti Hubble Space Telescope dan James Webb Space Telescope yang akan datang, serta eksperimen di bidang yang muncul dari astronomi gelombang gravitasi, seperti National Science Foundation's Laser Interferometer Observatorium Gelombang-Gravitasi. Ahli kosmologi juga bergabung dengan fisikawan partikel dan astrofisikawan dalam perlombaan antardisiplin untuk mendeteksi partikel materi gelap.
Sama seperti kosmologi yang tidak dapat dimulai sampai cabang-cabang fisika lainnya telah matang, ia tidak akan dapat menyelesaikan pengungkapan sejarah alam semesta sampai area-area lain lebih lengkap. "Untuk meluruskan cerita, Anda harus mengerjakan dasarnya semua hukum fisika di semua skala energi dan di semua kondisi, "kata Steinhardt. "Dan perubahan pada salah satu dari itu bisa secara radikal mengubah kisah kosmologis."
Farrar mengatakan dia tidak tahu apakah itu akan terjadi tetapi keajaiban bahwa orang-orang telah memahami kompleksitas alam semesta sebanyak yang mereka miliki. "Sungguh menakjubkan bahwa otak manusia telah berevolusi ke titik di mana pertanyaan-pertanyaan ini tampaknya dapat dijawab," katanya. "Setidaknya beberapa dari mereka."
Tambahan sumber daya:
