Bagaimana alam semesta kita terbentuk? Bagaimana itu berubah menjadi ruang yang tampaknya tak berujung? Dan akan menjadi apa setelah jutaan dan milyaran tahun? Pertanyaan-pertanyaan ini menyiksa (dan terus menyiksa) pikiran para filsuf dan ilmuwan, tampaknya, sejak permulaan waktu, sekaligus memunculkan banyak teori yang menarik dan terkadang bahkan gila. Saat ini, sebagian besar astronom dan ahli kosmologi telah mencapai kesepakatan umum bahwa alam semesta seperti yang kita kenal muncul sebagai hasil dari ledakan raksasa yang tidak hanya menghasilkan sebagian besar materi, tetapi juga merupakan sumber hukum fisika dasar yang menyatakan keberadaan kosmos yang mengelilingi kita. Semua ini disebut teori Big Bang.
Dasar-dasar teori Big Bang relatif sederhana. Singkatnya, menurutnya, semua materi yang ada dan ada sekarang di alam semesta muncul pada waktu yang sama - sekitar 13,8 miliar tahun lalu. Pada saat itu, semua materi ada dalam bentuk bola abstrak yang sangat kompak (atau titik) dengan kepadatan dan suhu tak terhingga. Keadaan ini disebut singularitas. Tiba-tiba, singularitas mulai mengembang dan melahirkan alam semesta seperti yang kita kenal.
Perlu dicatat bahwa teori Big Bang hanyalah salah satu dari sekian banyak hipotesis yang diajukan tentang asal-usul Alam Semesta (misalnya, ada juga teori Alam Semesta diam), tetapi teori ini telah menerima pengakuan dan popularitas terluas. Ia tidak hanya menjelaskan sumber dari semua materi yang diketahui, hukum fisika dan struktur agung alam semesta, ia juga menjelaskan alasan perluasan alam semesta dan banyak aspek serta fenomena lainnya.
Kronologi peristiwa dalam teori Big Bang
Berdasarkan pengetahuan tentang keadaan Alam Semesta saat ini, para ilmuwan menyarankan bahwa segala sesuatu harus dimulai dari satu titik dengan kepadatan tak terbatas dan waktu terbatas, yang mulai berkembang. Setelah ekspansi awal, teori tersebut mengatakan, alam semesta mengalami fase pendinginan yang memungkinkan partikel subatom dan kemudian atom sederhana muncul. Awan raksasa dari elemen kuno ini kemudian, berkat gravitasi, mulai membentuk bintang dan galaksi.
Semua ini, menurut para ilmuwan, dimulai sekitar 13,8 miliar tahun lalu, dan karena itu titik awal ini dianggap sebagai usia alam semesta. Melalui studi berbagai prinsip teoretis, eksperimen yang melibatkan akselerator partikel dan keadaan energi tinggi, serta melalui studi astronomi di sudut-sudut jauh Alam Semesta, para ilmuwan memperoleh dan mengusulkan kronologi peristiwa yang dimulai dengan Big Bang dan membawa alam semesta pada akhirnya ke keadaan evolusi kosmik, yang mana terjadi sekarang.
Video promosi:
Para ilmuwan percaya bahwa periode paling awal kelahiran alam semesta - yang berlangsung dari 10-43 hingga 10-11 detik setelah Big Bang - masih menjadi bahan kontroversi dan diskusi. Mengingat hukum fisika yang kita kenal sekarang tidak mungkin ada saat ini, sangat sulit untuk memahami bagaimana proses-proses di alam semesta awal ini diatur. Selain itu, eksperimen yang menggunakan jenis energi yang mungkin ada pada saat itu belum dilakukan. Bagaimanapun, banyak teori tentang asal mula alam semesta pada akhirnya setuju bahwa pada suatu titik waktu ada titik awal dari mana semuanya dimulai.
Era singularitas
Juga dikenal sebagai era Planck (atau era Planck), ini dianggap sebagai periode paling awal dalam evolusi alam semesta. Pada saat ini, semua materi terkandung dalam satu titik dengan kepadatan dan suhu tak terhingga. Selama periode ini, para ilmuwan percaya bahwa efek kuantum dari interaksi gravitasi mendominasi fisik, dan tidak ada gaya fisik yang sama kekuatannya dengan gravitasi.
Era Planck seharusnya berlangsung dari 0 hingga 10-43 detik dan dinamai demikian karena durasinya hanya dapat diukur dengan waktu Planck. Karena suhu ekstrim dan kepadatan materi yang tak terhingga, keadaan alam semesta selama periode waktu ini sangat tidak stabil. Ini diikuti oleh periode ekspansi dan pendinginan yang menyebabkan munculnya gaya fundamental fisika.
Kira-kira dalam kurun waktu 10-43 hingga 10-36 detik, proses tumbukan keadaan suhu transisi berlangsung di alam semesta. Diyakini bahwa pada saat inilah gaya-gaya fundamental yang mengatur alam semesta ini mulai terpisah satu sama lain. Langkah pertama dalam departemen ini adalah munculnya gaya gravitasi, interaksi nuklir kuat dan lemah, dan elektromagnetisme.
Dalam periode sekitar 10-36 hingga 10-32 detik setelah Big Bang, suhu alam semesta menjadi cukup rendah (1028 K), yang menyebabkan pemisahan gaya elektromagnetik (interaksi kuat) dan interaksi inti lemah (interaksi lemah).
Era inflasi
Dengan munculnya gaya fundamental pertama di alam semesta, era inflasi dimulai, yang berlangsung dari 10-32 detik menurut waktu Planck ke titik waktu yang tidak diketahui. Sebagian besar model kosmologis berasumsi bahwa alam semesta terisi secara seragam dengan energi kepadatan tinggi selama periode ini, dan suhu serta tekanan yang sangat tinggi menyebabkan ekspansi dan pendinginan yang cepat.
Ini dimulai pada 10-37 detik, ketika fase transisi, yang menyebabkan pemisahan gaya, diikuti oleh ekspansi eksponensial alam semesta. Dalam periode waktu yang sama, Alam Semesta berada dalam keadaan baryogenesis, ketika suhunya sangat tinggi sehingga pergerakan partikel yang tidak teratur di ruang angkasa terjadi pada kecepatan mendekati cahaya.
Pada masa inilah, pasangan partikel - antipartikel yang terbentuk dan langsung bertabrakan bertabrakan, yang diyakini telah menyebabkan dominasi materi atas antimateri di alam semesta modern. Setelah inflasi berakhir, alam semesta terdiri dari plasma kuark-gluon dan partikel elementer lainnya. Sejak saat itu, alam semesta mulai mendingin, materi mulai terbentuk dan bergabung.
Era pendinginan
Dengan penurunan kepadatan dan suhu di dalam alam semesta, penurunan energi mulai terjadi di setiap partikel. Keadaan transisi ini berlangsung hingga gaya fundamental dan partikel elementer mencapai bentuknya saat ini. Karena energi partikel telah turun ke nilai yang dapat dicapai saat ini dalam kerangka eksperimen, kemungkinan kehadiran aktual dari periode waktu ini menyebabkan lebih sedikit kontroversi di antara para ilmuwan.
Misalnya, para ilmuwan percaya bahwa 10-11 detik setelah Big Bang, energi partikel-partikel itu menurun secara signifikan. Sekitar 10-6 detik, quark dan gluon mulai membentuk baryon - proton dan neutron. Quark mulai mendominasi barang antik, yang pada gilirannya menyebabkan dominasi baryon di atas antibaryon.
Karena suhu tidak lagi cukup tinggi untuk membuat pasangan proton-antiproton baru (atau pasangan neutron-antineutron), penghancuran massal partikel-partikel ini mengikuti, yang menyebabkan sisa hanya 1/1010 dari jumlah proton dan neutron asli dan lenyapnya antipartikel mereka sepenuhnya. Proses serupa terjadi sekitar 1 detik setelah Big Bang. Hanya "korban" kali ini adalah elektron dan positron. Setelah penghancuran massal, proton, neutron, dan elektron yang tersisa menghentikan gerakan acaknya, dan kerapatan energi alam semesta dipenuhi dengan foton dan, pada tingkat yang lebih rendah, neutrino.
Selama menit-menit pertama perluasan alam semesta, periode nukleosintesis (sintesis unsur kimia) dimulai. Karena penurunan suhu hingga 1 miliar kelvin dan penurunan kepadatan energi menjadi sekitar nilai yang setara dengan kepadatan udara, neutron dan proton mulai bercampur dan membentuk isotop stabil pertama hidrogen (deuterium), serta atom helium. Namun demikian, sebagian besar proton di alam semesta tetap sebagai inti atom hidrogen yang tidak koheren.
Sekitar 379.000 tahun kemudian, elektron bergabung dengan inti hidrogen ini dan membentuk atom (sekali lagi, kebanyakan hidrogen), sementara radiasi terpisah dari materi dan terus berkembang hampir tanpa hambatan melalui ruang angkasa. Radiasi ini biasanya disebut radiasi relik, dan merupakan sumber cahaya tertua di alam semesta.
Dengan pemuaian, CMB secara bertahap kehilangan massa jenis dan energinya, dan pada saat ini suhunya 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C), dan rapat energinya 0,25 eV (atau 4,005 × 10-14 J / m³; 400–500 foton / cm³). Radiasi relik meluas ke segala arah dan jarak sekitar 13,8 miliar tahun cahaya, tetapi perkiraan propagasi sebenarnya mengatakan sekitar 46 miliar tahun cahaya dari pusat alam semesta.
Zaman Struktur (Zaman Hirarkis)
Selama beberapa miliar tahun berikutnya, wilayah materi yang lebih padat, hampir merata di alam semesta, mulai menarik satu sama lain. Akibatnya, mereka menjadi lebih padat, mulai membentuk awan gas, bintang, galaksi, dan struktur astronomi lainnya yang dapat kita amati saat ini. Periode ini disebut era hierarki. Saat ini, Alam Semesta yang kita lihat sekarang mulai mengambil bentuknya. Materi mulai menyatu menjadi struktur dengan berbagai ukuran - bintang, planet, galaksi, gugus galaksi, serta superkluster galaksi, dipisahkan oleh penghalang antar galaksi yang hanya berisi beberapa galaksi.
Detail proses ini dapat dijelaskan sesuai dengan gagasan tentang jumlah dan jenis materi yang tersebar di alam semesta, yang direpresentasikan dalam bentuk materi gelap dingin, hangat, panas, dan materi barionik. Namun, model kosmologis standar Big Bang saat ini adalah model Lambda-CDM, yang menurutnya partikel materi gelap bergerak lebih lambat daripada kecepatan cahaya. Itu dipilih karena memecahkan semua kontradiksi yang muncul dalam model kosmologis lainnya.
Menurut model ini, materi gelap dingin menyumbang sekitar 23 persen dari semua materi / energi di alam semesta. Proporsi materi baryonic sekitar 4,6 persen. Lambda CDM mengacu pada apa yang disebut konstanta kosmologis: teori yang diajukan oleh Albert Einstein yang mencirikan sifat-sifat ruang hampa dan menunjukkan keseimbangan antara massa dan energi sebagai besaran statis yang konstan. Dalam hal ini, ia dikaitkan dengan energi gelap, yang berfungsi sebagai akselerator perluasan alam semesta dan menjaga struktur kosmologis raksasa tetap homogen.
Prediksi jangka panjang tentang masa depan alam semesta
Hipotesis bahwa evolusi alam semesta memiliki titik awal secara alami mengarahkan para ilmuwan pada pertanyaan tentang kemungkinan titik akhir dari proses ini. Jika Alam Semesta memulai sejarahnya dari titik kecil dengan kerapatan tak terhingga, yang tiba-tiba mulai mengembang, apakah ini berarti ia juga akan mengembang tanpa batas? Atau, suatu hari akan kehabisan gaya ekspansif dan proses kompresi terbalik akan dimulai, hasil akhirnya akan menjadi titik padat tak terhingga yang sama?
Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini telah menjadi tujuan utama para kosmolog sejak awal perdebatan tentang model kosmologis mana yang benar. Dengan adopsi teori Big Bang, tetapi sebagian besar berkat pengamatan energi gelap pada 1990-an, para ilmuwan mencapai kesepakatan tentang dua skenario yang paling mungkin untuk evolusi alam semesta.
Menurut yang pertama, yang disebut "kompresi besar", alam semesta akan mencapai ukuran maksimumnya dan mulai runtuh. Skenario ini akan dimungkinkan jika hanya kerapatan massa Semesta menjadi lebih besar dari kerapatan kritis itu sendiri. Dengan kata lain, jika massa jenis materi mencapai nilai tertentu atau menjadi lebih tinggi dari nilai ini (1-3 × 10-26 kg materi per m³), alam semesta akan mulai berkontraksi.
Alternatifnya adalah skenario lain, yang mengatakan bahwa jika kerapatan di Semesta sama dengan atau di bawah kerapatan kritis, maka perluasannya akan melambat, tetapi tidak pernah berhenti sama sekali. Hipotesis ini, yang dijuluki "kematian termal alam semesta", akan terus berkembang hingga pembentukan bintang berhenti mengonsumsi gas antarbintang di dalam setiap galaksi di sekitarnya. Artinya, perpindahan energi dan materi dari satu objek ke objek lainnya akan berhenti sama sekali. Semua bintang yang ada dalam hal ini akan terbakar dan berubah menjadi katai putih, bintang neutron, dan lubang hitam.
Secara bertahap, lubang hitam akan bertabrakan dengan lubang hitam lainnya, yang akan mengarah pada pembentukan lubang hitam yang semakin besar. Suhu rata-rata alam semesta akan mendekati nol mutlak. Lubang hitam pada akhirnya akan "menguap", melepaskan radiasi Hawking terakhirnya. Akhirnya, entropi termodinamika di alam semesta akan menjadi maksimal. Kematian akibat panas akan datang.
Pengamatan modern, yang memperhitungkan keberadaan energi gelap dan pengaruhnya terhadap perluasan ruang, mendorong para ilmuwan untuk menyimpulkan bahwa, seiring waktu, semakin banyak ruang di alam semesta akan melewati cakrawala peristiwa kita dan menjadi tidak terlihat oleh kita. Hasil akhir dan logis dari ini belum diketahui oleh para ilmuwan, tetapi "kematian akibat panas" mungkin merupakan titik akhir dari peristiwa tersebut.
Ada hipotesis lain mengenai distribusi energi gelap, atau lebih tepatnya, jenis yang mungkin (misalnya, energi bayangan). Menurut mereka, gugus galaksi, bintang, planet, atom, inti atom, dan materi itu sendiri akan terkoyak sebagai akibat dari perluasannya yang tak berujung. Skenario evolusi ini disebut "celah besar". Menurut skenario ini, perluasan itu sendiri adalah penyebab kematian Semesta.
Sejarah teori Big Bang
Penyebutan Big Bang paling awal berasal dari awal abad ke-20 dan dikaitkan dengan pengamatan ruang. Pada tahun 1912, astronom Amerika Vesto Slipher melakukan serangkaian pengamatan galaksi spiral (yang awalnya tampak seperti nebula) dan mengukur pergeseran merah Doppler mereka. Di hampir semua kasus, pengamatan menunjukkan bahwa galaksi spiral bergerak menjauh dari Bima Sakti kita.
Pada tahun 1922, ahli matematika dan kosmologi Rusia terkemuka Alexander Fridman menurunkan apa yang disebut persamaan Friedman dari persamaan Einstein untuk teori relativitas umum. Terlepas dari kemajuan teori Einstein yang mendukung konstanta kosmologis, karya Friedmann menunjukkan bahwa alam semesta agak mengembang.
Pada tahun 1924, pengukuran jarak Edwin Hubble ke nebula spiral terdekat menunjukkan bahwa sistem ini sebenarnya adalah galaksi lain. Pada saat yang sama, Hubble mulai mengembangkan serangkaian metrik pengurangan jarak menggunakan teleskop Hooker 2,5 meter di Observatorium Mount Wilson. Pada tahun 1929, Hubble telah menemukan hubungan antara jarak dan laju surutnya galaksi, yang kemudian menjadi Hukum Hubble.
Pada tahun 1927, matematikawan Belgia, fisikawan dan pendeta Katolik Georges Lemaitre secara independen sampai pada hasil yang sama seperti yang ditunjukkan oleh persamaan Friedmann, dan merupakan orang pertama yang merumuskan hubungan antara jarak dan kecepatan galaksi, menawarkan estimasi pertama koefisien hubungan ini. Lemaitre percaya bahwa di masa lalu, seluruh massa alam semesta terkonsentrasi di satu titik (atom).
Penemuan dan asumsi ini memicu banyak kontroversi antara fisikawan di tahun 20-an dan 30-an, yang sebagian besar percaya bahwa alam semesta berada dalam keadaan diam. Menurut model yang ditetapkan pada waktu itu, materi baru tercipta seiring dengan perluasan alam semesta yang tak terbatas, dengan kepadatan yang merata dan merata di seluruh panjangnya. Di antara para cendekiawan yang mendukungnya, gagasan Big Bang tampak lebih teologis daripada ilmiah. Lemaitre telah dikritik karena bias berdasarkan bias agama.
Perlu dicatat bahwa teori lain ada pada waktu yang bersamaan. Misalnya, model Semesta Milne dan model siklus. Keduanya didasarkan pada postulat teori relativitas umum Einstein dan kemudian mendapat dukungan dari ilmuwan itu sendiri. Menurut model-model ini, alam semesta berada dalam aliran siklus ekspansi dan keruntuhan yang berulang tanpa akhir.
Setelah Perang Dunia II, perdebatan sengit meletus antara pendukung model stasioner alam semesta (yang sebenarnya dijelaskan oleh astronom dan fisikawan Fred Hoyle) dan pendukung teori Big Bang, yang dengan cepat mendapatkan popularitas di kalangan komunitas ilmiah. Ironisnya, justru Hoyle yang mencetuskan istilah "big bang", yang kemudian menjadi nama teori baru tersebut. Itu terjadi pada Maret 1949 di radio Inggris BBC.
Akhirnya, penelitian dan observasi ilmiah lebih lanjut semakin mendukung teori Big Bang dan semakin mempertanyakan model alam semesta diam. Penemuan dan konfirmasi CMB pada tahun 1965 akhirnya mengukuhkan Big Bang sebagai teori terbaik tentang asal-usul dan evolusi alam semesta. Dari akhir 1960-an hingga 1990-an, para astronom dan kosmolog melakukan lebih banyak penelitian tentang Big Bang dan menemukan solusi untuk banyak masalah teoretis yang menghalangi teori ini.
Solusi-solusi ini termasuk, misalnya, karya Stephen Hawking dan fisikawan lain yang telah membuktikan bahwa singularitas adalah keadaan awal relativitas umum dan model kosmologis Big Bang yang tak dapat disangkal. Pada tahun 1981, fisikawan Alan Guth mengembangkan teori yang menjelaskan periode ekspansi kosmik yang cepat (zaman inflasi), yang memecahkan banyak pertanyaan dan masalah teoretis yang sebelumnya belum terselesaikan.
Pada 1990-an, ada peningkatan minat pada energi gelap, yang dipandang sebagai kunci untuk memecahkan banyak masalah yang belum terselesaikan dalam kosmologi. Selain keinginan untuk menemukan jawaban atas pertanyaan mengapa alam semesta kehilangan massanya bersama dengan ibu gelap (hipotesis diajukan kembali pada tahun 1932 oleh Jan Oort), perlu juga untuk menemukan penjelasan mengapa alam semesta masih berakselerasi.
Kemajuan penelitian lebih lanjut berkat terciptanya teleskop, satelit, dan model komputer yang lebih canggih yang memungkinkan para astronom dan kosmolog melihat lebih jauh ke alam semesta dan lebih memahami usia aslinya. Perkembangan teleskop luar angkasa dan kemunculannya, misalnya, Cosmic Background Explorer (atau COBE), Teleskop Luar Angkasa Hubble, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) dan Planck Space Observatory, juga telah memberikan kontribusi yang sangat berharga untuk mempelajari masalah ini.
Saat ini, para kosmolog dapat mengukur berbagai parameter dan karakteristik model teori Big Bang dengan keakuratan yang cukup tinggi, belum lagi penghitungan usia ruang di sekitar kita yang lebih akurat. Tapi itu semua dimulai dengan pengamatan biasa terhadap objek luar angkasa besar yang terletak bertahun-tahun cahaya dari kita dan perlahan terus menjauh dari kita. Dan meskipun kita tidak tahu bagaimana ini semua akan berakhir, menurut standar kosmologis tidak butuh waktu lama untuk mengetahuinya.
