Salah satu pencapaian terpenting abad ke-20 adalah definisi yang tepat tentang seberapa besar, luas, dan masifnya alam semesta kita. Dengan sekitar dua triliun galaksi tertutup dalam volume 46 miliar tahun cahaya dalam radius, alam semesta teramati memungkinkan kita untuk merekonstruksi seluruh sejarah kosmos kita, hingga Big Bang dan mungkin bahkan sedikit lebih awal. Tapi bagaimana dengan masa depan? Seperti apa alam semesta ini? Akankah itu?
Seseorang berkata bahwa perluasan alam semesta melambat. Hadiah Nobel diberikan atas "penemuan" bahwa perluasan alam semesta semakin meningkat. Tapi siapa yang benar? Bisakah alam semesta runtuh suatu hari dalam proses yang disebut Kompresi Besar (berbanding terbalik dengan Big Bang)?
Perilaku masa depan paling baik diprediksi berdasarkan perilaku masa lalu. Namun, sebagaimana manusia terkadang dapat mengejutkan kita, Alam Semesta juga bisa.
Laju ekspansi alam semesta pada saat tertentu hanya bergantung pada dua faktor: kepadatan energi total yang ada dalam ruang-waktu dan jumlah kelengkungan ruang yang ada. Jika kita memahami hukum gravitasi dan bagaimana berbagai jenis energi berevolusi dari waktu ke waktu, kita dapat merekonstruksi semua yang terjadi pada titik tertentu di masa lalu. Kita juga dapat melihat objek jauh yang berbeda pada jarak yang berbeda dan mengukur bagaimana cahaya ditarik karena perluasan ruang. Setiap galaksi, supernova, awan gas molekul, dan sejenisnya - apa pun yang menyerap atau memancarkan cahaya - akan menceritakan kisah kosmik tentang bagaimana perluasan ruang membentangkannya dari saat cahaya lahir hingga saat kita mengamatinya.
Dari banyak pengamatan independen, kami dapat menyimpulkan terdiri dari apa alam semesta itu sendiri. Kami membuat tiga rantai observasi independen yang besar:
- Di latar belakang gelombang mikro kosmik, terdapat fluktuasi suhu yang menyandikan informasi tentang kelengkungan alam semesta, materi normal, materi gelap, neutrino, dan kepadatan total.
- Korelasi antar galaksi pada skala terbesar - dikenal sebagai getaran akustik baryonic - memberikan pengukuran yang sangat teliti dari kepadatan total materi, rasio materi normal terhadap materi gelap, dan bagaimana laju ekspansi berubah seiring waktu.
Video promosi:
“Dan lilin standar terjauh dan bercahaya di Semesta, supernova tipe Ia, beri tahu kami tentang tingkat ekspansi dan energi gelap, bagaimana mereka berubah seiring waktu.
Rantai bukti ini, jika digabungkan, memberi kita gambaran yang koheren tentang alam semesta. Mereka memberi tahu kita apa yang ada di alam semesta modern dan memberi kita kosmologi di mana:
- 4,9% energi Semesta diwakili oleh materi normal (proton, neutron, dan elektron);
- 0,1% energi Semesta ada dalam bentuk neutrino masif (yang bertindak sebagai materi belakangan ini dan bertindak sebagai radiasi di masa-masa awal);
- 0,01% energi Semesta ada dalam bentuk radiasi (seperti foton);
- 27% energi Semesta ada dalam bentuk materi gelap;
- 68% energi melekat di ruang itu sendiri: energi gelap.
Semua ini memberi kita Alam Semesta datar (dengan kelengkungan 0%), Alam Semesta tanpa cacat topologis (monopole magnetik, string kosmik, dinding domain atau tekstur kosmik), Alam Semesta dengan riwayat ekspansi yang diketahui.
Persamaan relativitas umum sangat deterministik dalam pengertian ini: jika kita tahu terbuat dari apa Semesta hari ini, dan hukum gravitasi, kita tahu persis betapa pentingnya setiap komponen pada setiap interval individu di masa lalu. Pada awalnya, radiasi dan neutrino mendominasi. Selama miliaran tahun, komponen terpenting adalah materi gelap dan materi normal. Selama beberapa miliar tahun terakhir - dan ini akan semakin buruk seiring waktu - energi gelap telah menjadi faktor dominan dalam perluasan alam semesta. Ini membuat alam semesta berakselerasi, dan sejak saat itu, banyak orang berhenti memahami apa yang sedang terjadi.
Ada dua hal yang dapat kita ukur dalam hal perluasan alam semesta: laju perluasan dan laju di mana masing-masing galaksi, dari sudut pandang kami, masuk ke dalam perspektif. Mereka saling terkait, tetapi tetap berbeda. Laju ekspansi, di satu sisi, menunjukkan bagaimana struktur ruang itu sendiri direntangkan seiring waktu. Itu selalu didefinisikan sebagai kecepatan per satuan jarak, biasanya diberikan dalam kilometer per detik (kecepatan) per megaparsec (jarak), di mana satu megaparsec adalah sekitar 3,26 juta tahun cahaya.
Jika tidak ada energi gelap, laju ekspansi akan menurun seiring waktu, mendekati nol, karena kerapatan materi dan radiasi akan turun menjadi nol saat volumenya mengembang. Tetapi dengan energi gelap, laju ekspansi ini tetap bergantung pada kepadatan energi gelap. Jika energi gelap, misalnya, adalah konstanta kosmologis, laju ekspansi akan mendatar menjadi nilai konstan. Tapi dalam kasus ini, galaksi individu yang menjauh dari kita akan mengalami percepatan.
Bayangkan kecepatan ekspansi dengan besaran tertentu: 50 km / s / Mpc. Jika galaksi berada pada jarak 20 Mpc dari kita, tampaknya galaksi tersebut menjauh dari kita dengan kecepatan 1000 km / s. Tapi berikan waktu, dan saat struktur ruang mengembang, galaksi ini pada akhirnya akan semakin jauh dari kita. Seiring waktu, jaraknya akan dua kali lipat: 40 Mpc, dan kecepatan pemindahan akan menjadi 2000 km / s. Ini akan memakan lebih banyak waktu, dan itu akan menjadi 10 kali lebih jauh: 200 Mpc, dan kecepatan pemindahan 10.000 km / s. Seiring waktu, ia akan menjauh pada jarak 6000 Mpc dari kita dan akan menjauh dengan kecepatan 300.000 km / s, yang lebih cepat dari kecepatan cahaya. Semakin lama waktu berlalu, semakin cepat galaksi menjauh dari kita. Itulah sebabnya Semesta "berakselerasi": laju perluasannya menurun, tetapi kecepatan pemisahan galaksi individu dari kita hanya bertambah.
Semua ini konsisten dengan pengukuran terbaik kami: energi gelap adalah kepadatan energi konstan yang melekat di ruang itu sendiri. Saat ruang angkasa membentang, kepadatan energi gelap tetap konstan, dan alam semesta akan berakhir dalam "Great Freeze", ketika segala sesuatu yang tidak terikat oleh gravitasi (seperti grup lokal kita, galaksi, tata surya) akan menyimpang dan menyimpang. Jika energi gelap benar-benar merupakan konstanta kosmologis, perluasan ini akan berlanjut tanpa batas hingga alam semesta menjadi dingin dan kosong.
Tetapi jika energi gelap itu dinamis - yang secara teoritis mungkin, tetapi tanpa bukti yang dapat diamati - itu bisa berakhir dengan Tekanan Besar atau Pecahan Besar. Dalam Kompresi Besar, energi gelap akan melemah dan secara bertahap membalikkan perluasan alam semesta sehingga mulai berkontraksi. Bahkan mungkin ada alam semesta siklus, di mana "kompresi" menimbulkan Big Bang baru. Jika energi gelap tumbuh lebih kuat, nasib berbeda menanti kita, ketika struktur yang terhubung akan terkoyak oleh laju ekspansi yang secara bertahap meningkat. Namun, hari ini semuanya menunjukkan bahwa Great Freeze menanti kita, ketika Semesta akan berkembang selamanya.
Tujuan ilmiah utama untuk observatorium masa depan seperti ESA's Euclid atau WFIRST NASA termasuk mengukur apakah energi gelap adalah konstanta kosmologis. Dan sementara teori terkemuka mendukung energi gelap konstan, penting untuk dipahami bahwa mungkin ada kemungkinan yang tidak dikecualikan oleh pengukuran dan pengamatan. Secara kasar, alam semesta masih bisa runtuh, dan ini mungkin. Lebih banyak data dibutuhkan.
ILYA KHEL
