Tanya Ethan: Bagaimana Kita Mengetahui Ruang Angkasa Meluas?

Ada sekumpulan bukti ilmiah yang mendukung gambaran tentang Big Bang dan Alam Semesta yang berkembang menjadi semakin luas. Tapi, hingga kini belum diketahui apakah Alam Semesta itu terbatas atau tak terbatas.
NASA/GSFC

Jika mengamati Alam Semesta dalam segala arah, maka Anda akan menemukan objek-objek semakin menjauh dari Anda, lalu apa yang akan Anda simpulkan? Entah apakah Anda adalah orang yang meragukan hal-hal ini, bahwa struktur ruang angkasa itu sendiri meluas, bahwa Anda berada di pusat ledakan besar awal Alam Semesta, dan yang lainnya hanya melaju menjauh dari titik ledakan. Tapi, bagaimanapun juga para ilmuwan selalu mengatakan bahwa “Alam Semesta berkembang” seolah-olah tidak ada pilihan lain terkait hal ini. Mengapa demikian? Inilah yang ingin diketahui oleh seseorang bernama Buck yang mengajukan pertanyaan sebagai berikut:

“Bagaimana kita tahu ruang angkasa meluas? Sehubungan dengan apa? Pergeseran merah galaksi-galaksi yang terpisah semakin jauh bisa dilakukan di ruang angkasa tak terbatas yang berlawanan dengan ruang angkasa yang meluas.”

Percaya atau tidak, jawabannya tertulis di wajah Alam Semesta itu sendiri.

(Pergeseran Merah adalah gejala bahwa frekuensi cahaya jika diamati, di bawah situasi tertentu, bisa lebih rendah daripada frekuensi cahaya ketika terpancar di sumber cahaya).

Ruang dan waktu di lingkungan kosmik lokal kita, yang melengkung akibat pengaruh gravitasi Matahari dan massa dari objek-objek lainnya.
T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Salah satu fakta paling luar biasa tentang Relativitas Umum Einstein yang merupakan teori utama gravitasi kita, adalah bahwa Relativitas Umum menjabarkan hubungan antara ruang dan waktu di satu sisi, dengan materi dan energi di sisi lain. Materi dan energi menunjukkan kelengkungan ruang dan waktu, sedangkan ruang dan waktu menunjukkan pergerakan materi. Jika kita tahu bagaimana semua materi dan energi di Alam Semesta didistribusikan dalam waktu singkat, dan mengetahui bagaimana pergerakan materi dan energi, kita dapat merekonstruksi bagaimana ruang dan waktu melengkung dan berkembang sepanjang sejarah Alam Semesta.

Sebuah bagian dua dimensi dari wilayah sangat padat (merah) dan kurang padat (biru/hitam) di sekitar kita. Garis dan panah mengilustrasikan arah arus kecepatan yang tidak biasa, namun semua ini tertanam di dalam struktur ruang angkasa yang meluas.
Kosmografi Alam Semesta Lokal-Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Ketika kita mengamati galaksi-galaksi di Alam Semesta kita, galaksi-galaksi yang jaraknya berdekatan didominasi oleh dinamika gravitasi satu sama lain. Bima Sakti dan Andromeda mengarah satu sama lain, galaksi-galaksi lain di kelompok lokal pada akhirnya akan bergabung dengan galaksi kita juga. Di luar itu, galaksi ditarik ke arah galaksi yang ukurannya lebih besar, kelompok galaksi dan gugus galaksi. Di wilayah ruang angkasa yang relatif kecil, beberapa juta atau puluhan juta tahun cahaya, massa yang ada di dalam jarak tersebut secara keseluruhan menentukan bagaimana galaksi-galaksi akan bergerak.

Pemandangan Alam Semesta jauh menunjukkan galaksi-galaksi bergerak menjauhi kita dalam kecepatan ekstrem. Pada jarak yang jauh tersebut, galaksi tampak lebih banyak, lebih kecil, tidak berevolusi, dan nilai pergeseran merahnya menurun dibandingkan dengan galaksi-galaksi di Alam Semesta dekat.
NASA, ESA, R. Windhorst dan H. Yan

Tapi pada skala yang lebih besar, kita melihat efek yang berbeda. Gerakan skala kecil ini, yang dikenal sebagai kecepatan peculiar, dapat meningkatkan laju kecepatan hingga beberapa ribu kilometer per detik. Tapi gerakan dalam skala yang kecil ini ditumpangkan di atas efek yang lebih besar sehingga Anda hanya bisa melihatnya pada skala yang jauh lebih besar, kenyataannya adalah semakin jauh sebuah galaksi dari kita, maka akan nampak semakin cepat menjauhi kita.

Bukan hanya galaksi-galaksi yang bergerak menjauh dari kita yang dapat menyebabkan pergeseran merah, namun jarak antara kita dengan galaksi-galaksi menyebabkan pergeseran merah pada cahaya yang menempuh perjalanan dari jarak yang jauh tersebut untuk sampai ke mata kita.

Observasi empiris ini dikenal sebagai Hukum Hubble, dan hanya menyatakan bahwa kecepatan resesi sebuah galaksi sebanding dengan jaraknya dari kita. Konstanta proporsionalitas ini dikenal sebagai konstanta Hubble, dan telah diukur dengan sangat tepat sekitar 70 km/s/Mpc, dengan ketidakpastian sekitar 3-4 km/s/Mpc, tergantung pada bagaimana Anda mengukurnya.

Hubungan antara jarak pergeseran merah untuk galaksi-galaksi jauh. Titik-titik yang tidak sesuai dengan kecepatan peculiar, hanya memberikan sedikit penyimpangan dari keseluruhan ekspansi yang diamati. Data asli dari Edwin Hubble, yang pertama kali digunakan untuk menunjukkan ekspansi Alam Semesta, dapat dimasukkan di kotak merah kecil di bagian kiri bawah.
Robert Kirshner, PNAS, 101, 1, 8-13 (2004)

Tapi kenapa hal ini bisa terjadi? Mengapa segala sesuatu bergerak terpisah satu sama lain, asalkan mereka tidak terikat secara gravitasi? Mari kembali ke fondasi Relativitas Umum, sebelum Einstein mengajukan gagasannya yang luar biasa ini.

Ketika mengemukakan teori Relativitas Umum, Einstein dengan cepat menyadari bahwa ada konsekuensi yang tidak dia sukai dari teori ini, Alam Semesta yang dipenuhi oleh materi ke segala arah tidak akan stabil di bawah pengaruh gravitasi. Untuk memperbaiki hal ini, maka Einstein mengajukan gagasan tentang sebuah kekuatan tak terlihat yang dapat mencegah ketidakstabilan materi, yaitu sebuah konstanta kosmologis. Tetapi jika tidak memasukkan konstanta kosmologis ini, maka Anda akan segera menyadari, bahwa Alam Semesta tidak statis, tapi struktur ruang angkasa itu sendiri berkembang atau menyusut seiring berjalannya waktu.

Kelanjutan artikel: Tanya Ethan: Bagaimana Kita Mengetahui Ruang Angkasa Meluas? (Bagian 2)

Share this post