Big Bang Bukanlah Awal Segalanya!

 

Alam semesta dimulai dengan sebuah ledakan! Paling tidak, itulah yang kerap kita dengar. Kosmos dan segala sesuatu di dalamnya eksis setelah Big Bang. Ruang, waktu, materi dan energi bermula dari sebuah titik tunggal (singularitas), kemudian meluas dan mendingin. Dalam waktu miliaran tahun jagad raya mulai dihuni oleh atom, bintang, galaksi dan gugus galaksi yang membentuk alam semesta teramati seperti yang kita kenal. Inilah gambaran menarik yang menjelaskan semua yang kita amati, mulai dari struktur berskala besar yang terdiri dari dua triliun galaksi hingga cahaya sisa radiasi Big Bang yang menyebar ke seluruh eksistensi. Sayangnya, gambaran ini salah dan para ilmuwan telah mengetahuinya selama hampir 40 tahun.

Diungkap pertama kali oleh Vesto Slipher, semakin jauh jarak sebuah galaksi, maka semakin cepat ia menjauhi kita. Selama bertahun-tahun, penjelasan tentang fenomena ini hanya dapat dilakukan oleh observasi Hubble yang memungkinkan kita untuk mengumpulkan semua bagian menjadi satu, yaitu ekspansi kosmos.
Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer Phil. Soc., 56, 403

Gagasan tentang Big Bang pertama kali muncul pada tahun 1920-an dan 1930-an. Ketika melihat galaksi jauh, kita menemukan sesuatu yang aneh. Semakin jauh jarak galaksi dari kita, maka semakin cepat pula ia menjauhi kita. Menurut prediksi Relativitas Umum Einstein, alam semesta statis tidak akan stabil secara gravitasi. Observasi terhadap fenomena ini mengungkap bahwa ukuran alam semesta terus meluas, dan jika segala sesuatunya terpisah semakin jauh, berarti dulu jarak mereka lebih dekat.

Semakin jauh kita menatap, maka semakin jauh kita kembali ke masal lalu. Dan semakin jauh kita menatap, kosmos semakin panas, semakin padat dan belum terlalu berevolusi.
NASA/STScI/A. Felid

Ekspansi alam semesta tak sekadar berarti segala sesuatunya semakin menjauh seiring waktu, namun cahaya juga diregangkan saat merambat melalui kosmos. Karena panjang gelombang menentukan energi (lebih pendek berarti lebih energik), berarti kosmos mendingin seiring waktu, karena itu dulu lebih panas. Suhu alam semesta awal begitu panas, sehingga atom netral tidak bisa terbentuk. Jika gambaran ini benar, kita seharusnya melihat cahaya sisa radiasi ini di segala arah, yang telah mendingin hingga beberapa derajat di atas nol mutlak. Penemuan latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1964 oleh Arno Penzias dan Bob Wilson adalah konfirmasi menakjubkan dari Big Bang.

Menurut observasi Penzias dan Wilson, bidang galaksi memancarkan beberapa sumber radiasi astrofisika (pusat), namun di bagian atas dan bawah, yang tersisa hanyalah latar belakang radiasi yang seragam.
Tim Sains NASA/WMAP

Oleh karena itu sangat menarik untuk terus melakukan ekstrapolasi mundur ke masa lalu, saat kosmos lebih panas dan lebih padat. Jika terus kembali ke masa lalu, maka kita akan menemukan:

• Suatu masa ketika pasangan materi dan antimateri dapat terbentuk secara spontan, karena alam semesta sangat energik sehingga pasangan partikel/antipartikel dapat terbentuk secara spontan.
• Suatu masa ketika proton dan neutron secara individu terpecah menjadi plasma quark-gluon, karena suhu dan kerapatannya sangat tinggi sehingga alam semesta menjadi lebih padat daripada interior nukleus atom.
• Dan akhirnya, suatu masa ketika kerapatan dan suhu naik ke nilai tak terhingga, karena semua materi dan energi di alam semesta terkandung hanya dalam satu titik: singularitas.

Singularitas inilah yang mewakili dipatahkannya hukum fisika, juga dipahami sebagai yang mewakili asal usul ruang dan waktu. Inilah konsep utama Big Bang.

Jika kita melakukan ekstrapolasi jauh ke masa lalu, kita sampai ke keadaan kosmos yang lebih panas dan lebih padat. Apakah hal ini berujung ke singularitas yang mematahkan hukum fisika itu sendiri?
NASA/CXC/M Weiss

Tentu saja, semuanya kecuali yang terakhir (singularitas) telah dikonfirmasi sebagai sebuah kebenaran! Kita telah berhasil menciptakan plasma quark-gluon di laboratorium, kita telah menciptakan pasangan materi-antimateri, kita telah melakukan perhitungan elemen yang membentuk cahaya, dan membuat pengukuran tentang elemen apa saja yang melimpah selama tahap awal alam semesta, dan menemukan bahwa mereka sesuai dengan prediksi Big Bang. Lebih jauh lagi, kita telah mengukur fluktuasi latar belakang gelombang mikro kosmik dan melihat bagaimana struktur yang terikat oleh gaya gravitasi seperti bintang dan galaksi terbentuk dan tumbuh. Ke mana pun kita melihat, kita menemukan kesepakatan yang luar biasa antara teori dan observasi. Big Bang terlihat layaknya seorang pemenang.

 

Fluktuasi kerapatan latar belakang gelombang mikro kosmik memberikan benih bagi struktur kosmik modern untuk terbentuk, termasuk bintang, galaksi, gugus galaksi, filamen dan skala besar kehampaan kosmik.
Chris Blake dan Sam Moorfield

Kecuali, dalam beberapa hal, ada tiga hal spesifik yang kita harapkan tidak terjadi dari Big Bang, secara khusus meliputi:

1. Suhu di alam semesta seragam, meskipun sebuah wilayah yang jauhnya miliaran tahun cahaya dalam satu arah tidak pernah memiliki waktu (sejak Big Bang) untuk berinteraksi atau bertukar informasi dengan sebuah wilayah lain dalam arah yang berlawanan.
2. Alam semesta tidak memiliki ukuran kelengkungan spasial yang berbeda dari nol, meskipun alam semesta yang datar sempurna secara spasial memerlukan keseimbangan sempurna antara ekspansi awal, kerapatan materi dan radiasi.
3. Alam semesta tidak memiliki sisa peninggalan energi ultra-tinggi sejak permulaan, meskipun suhu yang membuat peninggalan energi ultra-tinggi ini seharusnya ada jika alam semesta panas.

Para ilmuwan yang memikirkan permasalahan ini mulai menggagas alternatif untuk “singularitas” Big Bang, daripada menciptakan ulang gagasan tentang keadaan alam semesta yang panas, padat, meluas dan mendingin. Pada bulan Desember 1979, mereka menemukan sebuah solusi.

Dalam inflasi alam semesta, ada energi yang melekat pada ruang itu sendiri, yang menyebabkan ekspansi eksponensial. Selalu ada probabilitas bahwa inflasi akan berakhir (dilambangkan dengan ‘X’ merah) setiap saat, sehingga menimbulkan keadaan yang panas dan rapat ketika alam semesta penuh dengan materi dan radiasi. Tapi di wilayah ketika inflasi tidak berakhir, ruang akan terus mengembang.
E. Siegel/Beyond The Galaxy

Justru keadaan alam semesta yang panas dan padat dapat bermula dari sebuah keadaan tanpa materi, radiasi, antimateri, neutrino dan partikel sama sekali. Semua energi di seluruh kosmos diperkirakan terikat pada struktur ruang itu sendiri, suatu bentuk energi vakum yang menyebabkan kosmos meluas dengan kecepatan eksponensial. Dalam keadaan kosmik seperti ini, fluktuasi kuantum akan tetap ada dan seiring perluasan ruang, fluktuasi akan semakin membentang di alam semesta, menciptakan wilayah-wilayah dengan lebih banyak atau lebih sedikit dari rata-rata kerapatan energi. Dan akhirnya, ketika fase periode inflasi alam semesta berakhir, energi akan diubah menjadi materi dan radiasi, menciptakan keadaan padat dan panas yang identik dengan Big Bang.

Fluktuasi kuantum yang melekat pada ruang, terbentang melintasi alam semesta selama inflasi kosmik, memunculkan fluktuasi kerapatan yang tercetak di latar belakang gelombang mikro kosmik, yang pada gilirannya memunculkan bintang, galaksi dan struktur berskala besar lainnya.
E. Siegel, dengan gambar yang berasal dari ESA/Planck dan the DoE/NASA/Satuan tugas antar agensi penelitian latar belakang gelombang mikro kosmik NSF

Gagasan ini dianggap menarik tetapi spekulatif, namun ada cara untuk mengujinya. Jika kita dapat mengukur fluktuasi cahaya sisa radiasi Big Bang yang menunjukkan pola tertentu sesuai prediksi inflasi, maka akan menjadi bukti ilmiah yang tak terbantahkan bagi gagasan inflasi kosmik. Selain itu, ukuran fluktuasi harus sangat kecil, cukup kecil sehingga kosmos tidak akan pernah mencapai suhu yang diperlukan untuk menciptakan sisa peninggalan energi tinggi, juga harus jauh lebih kecil daripada suhu dan kerapatan saat ruang dan waktu muncul dari singularitas. Pada tahun 1990-an, 2000-an, dan kemudian di tahun 2010-an, kita mengukur fluktuasi secara rinci dan menemukan bukti kuat untuk itu.

Fluktuasi latar belakang gelombang mikro kosmik, yang diukur dengan COBE (skala besar), WMAP (skala menengah), dan Planck (skala kecil), semuanya konsisten bukan hanya berasal dari fluktuasi kuantum skala invarian, tapi begitu rendah ukurannya sehingga tidak mungkin muncul dari keadaan kosmos yang panas dan padat.
Tim sains NASA/WMAP

Kesimpulannya tak terhindarkan: Big Bang pasti terjadi, tapi tidak bisa kembali ke keadaan alam semesta yang panas dan padat seperti semula. Sebaliknya, alam semesta awal mengalami periode waktu ketika semua energi yang akan menjadi materi dan radiasi yang ada saat ini, justru terikat pada struktur ruang itu sendiri. Periode itu, yang disebut inflasi kosmik, berakhir dan memicu Big Bang, namun tidak pernah menciptakan keadaan panas dan rapat, juga tidak menciptakan singularitas. Lantas, apa yang terjadi sebelum inflasi kosmik adalah pertanyaan terbuka, tapi satu hal yang pasti: Big Bang bukanlah awal alam semesta!

Ditulis oleh: Ethan Siegel, kontributor www.forbes.com

Sumber: The Big Bang Wasn't The Beginning, After All