05 Mei 2015

Nobel Fisika 2011: Bagaimana Akhir Alam Semesta Ini?

Ads by Google


Robert Frost, dalam sajaknya Fire and Ice, yang ditulis pada tahun 1920, menuliskan,

Some say the World will end in fire,
Some say in ice...“

Bagaimanakah sesungguhnya takdir alam semesta ini?

Jika kita mempercayai hasil penelitian yang dicapai oleh fisikawan peraih nobel fisika tahun 2011, maka kemungkinan alam semesta kita akan berakhir dalam keadaan beku.

Para fisikawan ini telah mengkaji dengan tekun sejumlah ledakan bintang, yang disebut dengan supernova, pada galaksi-galaksi yang jauh dan mereka sampai pada kesimpulan bahwa pengembangan alam semesta rupanya sedang mengalami percepatan.

Temuan ini merupakan sebuah kejutan bahkan bagi para fisikawan penerima nobel fisika tahun 2011 itu sendiri. Apa yang mereka lihat ibarat melemparkan bola ke udara, dan bukannya bola itu kembali ke tanah, malah bola tersebut makin lama makin tak kelihatan karena semakin cepat bergerak ke arah langit, seakan-akan gravitasi tak berdaya menarik kembali lintasan batu tersebut.

Kosmos sedang berkembang


Ini bukanlah kali pertama temuan astronomis merevolusi ide-ide kita tentang alam semesta.

Seratus tahun yang lalu, alam semesta ini pernah diduga sebagai sebuah tempat yang diam, tenang, dan damai, dengan ukuran yang tidak lebih besar dari galaksi yang kita tempati, galaksi bima sakti. Jam kosmologi berdetak stabil dan alam semesta kita bersifat abadi. Namun, tak lama kemudian terjadi perubahan radikal terhadap pandangan ini.

Pada awal abad ke-20 seorang astronom Amerika Henrietta Swan Leavitt menemukan sebuah cara untuk melakukan pengukuran jarak ke bintang-bintang yang jauh. Pada masa itu, astronom perempuan tidak diberi akses untuk menggunakan teleskop-teleskop besar, tetapi para astronom perempuan itu lebih diarahkan pada tugas yang rumit dalam menganalisa pelat fotografi. Henrietta Leavitt mempelajari ribuan bintang berdenyut, yang disebut Cepheid, dan menemukan bahwa cepheid yang lebih terang memiliki denyutan yang lebih lama. Berdasarkan informasi ini, Leavitt dapat menghitung kecerahan intrinsik Cepheid.

Jika jarak satu bintang cepheid saja diketahui, maka jarak ke cepheid lainnya dapat ditentukan – semakin redup cahaya, semakin jauh bintang itu. Lahirlah lilin standar, sebuah penanda ukuran kosmik pertama yang masih digunakan dewasa ini. Dengan menggunakan Cepheid, para astronom segera dapat menyimpulkan bahwa Bima sakti hanyalah satu dari banyak galaksi yang ada di alam semesta ini.





Pada tahun 1920, para astronom akhirnya memperoleh akses pada teleskop terbesar di dunia pada masa itu, teleskop Mount Wilson di California, sehingga mereka dapat menunjukkan bahwa hampir semua galaksi sedang bergerak menjauhi kita. Mereka sampai pada kesimpulan itu berdasarkan pengamatan peristiwa yang disebut pergeseran merah radiasi. Peristiwa pergeseran merah terjadi jika sebuah sumber cahaya sedang bergerak menjauhi kita. Jika sumber cahaya bergerak menjauhi kita, maka panjang gelombang cahaya yang dipancarkan sumber tersebut akan semakin meregang. Semakin meregang berarti semakin besar panjang gelombangnya. Jika panjang gelombang semakin besar, maka semakin memerah warna cahaya tersebut. Kesimpulannya adalah galaksi-galaksi sedang bergerak saling menjauhi satu sama lain, semakin jauh galaksi-galaksi itu dari kita, semakin cepat galaksi tersebut bergerak. Ini inti hukum Hubble.

Jadi, alam semesta kita sedang mengembang.

Konstanta Kosmologi, dibutuhkan, diabaikan dan dibutuhkan lagi


Fakta yang teramati pada ruang angkasa ini, sebenarnya telah diprediksi berdasarkan perhitungan teoritis. Pada tahun 1915, Albert Einstein memublikasikan Teori Relativitas Umumnya, yang merupakan fondasi pemahaman kita tentang alam semesta. Teori ini menjelaskan tentang sebuah semesta yang mengalami pengerutan atau pengembangan.

Kesimpulan yang menggalaukan ini diperoleh sekitar satu dekade sebelum ditemukan bahwa galaksi-galaksi ternyata senantiasa saling menjauhi. Bahkan seorang Einstein pun sulit menerima kenyataan bahwa alam semesta ini tidaklah statis. Oleh karena itu, agar tidak terjadi pengembangan kosmik yang tidak diinginkan tersebut, Einstein menambahkan sebuah konstanta pada persamaan relativitas umumnya, konstanta yang disebut konstanta kosmologi. Belakangan, Einstein menyadari bahwa penyertaan konstanta kosmologi dalam persamaannya ini merupakan sebuah kesalahan besar dalam kariernya. Kenyataannya, berdasarkan hasil observasi yang dibuat pada rentang tahun 1997-1998, yang akhirnya meraih penghargaan nobel fisika tahun 2011, kita dapat menyimpulkan bahwa konstanta kosmologi Einstein –yang dimasukkan oleh Einstein atas dasar alasan yang keliru– sesungguhnya merupakan sebuah langkah yang brilian.

Penemuan tentang alam semesta yang selalu memuai merupakan sebuah terobosan pertama ke arah pandangan yang banyak dianut sekarang ini yang meyakini bahwa alam semesta ini tercipta dalam proses Big Bang hampir 14 miliar tahun lalu. Baik waktu maupun ruang mulai terbentuk sejak peristiwa big bang tersebut. Sejak itu, alam semesta pun telah mulai mengembang; seperti sebuah kismis dalam roti kismis yang memuai dalam oven, galaksi-galaksi sedang bergerak saling menjauhi satu sama lain akibat pengembangan semesta ini. Tetapi, ke mana tujuan pengembangan alam semesta ini?

Supernova, standar ukuran baru semesta


Ketika Einstein menyingkirkan konstanta kosmologinya dan menyerah kepada gagasan tentang sebuah alam semesta yang tidak statis, Einstein mencoba menghubungkan bentuk geometri alam semesta dengan nasib alam semesta itu. Apakah alam semesta kita memiliki bentuk geometri terbuka atau tertutup, atau berada di antara kedua keadaan ini, yaitu sebuah alam semesta yang datar?

Alam semesta yang terbuka merupakan bentuk alam semesta dimana gaya gravitasi materi penyusunnya tidak cukup kuat untuk dapat menghindarkan terjadinya pemuaian atau pengembangan alam semesta. Akibatnya, semua materi akan larut dalam ruang yang semakin besar, semakin dingin, dan semakin kosong. Pada jenis alam semesta tertutup, gaya gravitasi cukup kuat untuk menghentikan dan bahkan dapat membalik pengembangan alam semesta. Akibatnya, semesta kita suatu saat akan berhenti mengembang, berbalik arah, kemudian runtuh bersama-sama dalam sebuah akhir semesta yang panas dan keras, sebuah peristiwa yang disebut kegentingan besar (big crunch).

Kosmolog pada umumnya lebih menyenangi hidup dalam alam semesta yang paling sederhana dan paling elegan secara matematis, yaitu alam semesta yang mendatar. Pada jenis alam semesta ini, pengembangan semesta mengalami penurunan. Dengan demikian, alam semesta tidak akan berakhir dalam kepanasan pun tidak berakhir dalam kedinginan. Tetapi tampaknya tidak ada pilihan. Jika terdapat sebuah konstanta kosmologi, pengembangan alam semesta akan mengalami percepatan, bahkan jika alam semesta itu merupakan alam semesta yang bersifat medatar.

Namun demikian, karena para fisikawan kosmolog dan astronom lebih menyenangi alam semesta yang mendatar, maka mereka berharap dapat mengukur perlambatan kosmik, atau bagaimana pengembangan alam semesta ini melambat. Pada prinsipnya metode yang mereka digunakan sama dengan metode yang telah digunakan oleh astronom sekitar enam dekade yang lalu. Metode tersebut adalah menentukan lokasi bintang-bintang yang jauh dan mengukur bagaimana pergerakan bintang-bintang tersebut. Walaupun hal ini mudah diucapkan, tetapi pelaksanaannya sangat sulit. Sejak pertama kali ditemukan oleh Henrietta Leavitt, memang telah banyak chepeid yang telah ditemukan yang jaraknya bahkan lebih jauh dari yang sebelum-sebelumnya. Tetapi pada jarak tertentu yang justru sangat diperlukan untuk dapat dilihat oleh astronom, yaitu pada jarak sekitar milyaran tahun cahaya, cepheid sudah tidak tampak lagi. Ini artinya skala kosmik perlu diperluas.

Supernova, yaitu ledakan bintang-bintang, akhirnya dipilih menjadi lilin standar baru untuk memperluas skala kosmik itu. Di dukung oleh terdapatnya sejumlah teleskop yang mumpuni di bumi dan di luar angkasa, komputer yang kian canggih, membuka peluang semakin banyaknya kepingan puzzle kosmologi yang dapat ditemukan. Salah satu alat yang krusial pendukung banyaknya temuan ini adalah dibuatnya sensor pencitraan digital yang peka cahaya, yang disebut charge-coupled devices atau CCD, yang dibuat oleh Williard Boyle dan George Smith (peraih nobel fisika tahun 2009).

Ledakan Katai Putih


Alat terbaru dalam “kotak peralatan” astronom adalah jenis khusus ledakan bintang, yaitu jenis supernova Ia (untuk mengetahui lebih banyak tentang Supernova Ia, silakan baca artikel tentang peristiwa kelahiran dan kematian bintang). Selama beberapa minggu, sebuah supernova tunggal kelompok Ia dapat memancarkan cahaya yang jumlahnya sama dengan cahaya yang dipancarkan oleh galaksi secara keseluruhan. Jenis supernova ini merupakan ledakan sebuah bintang tua yang sangat padat yaitu bintang yang massanya sama dengan massa matahari tetapi ukurannya sama dengan ukuran bumi. Bintang tua ini disebut katai putih. Ledakan ini adalah tahapan akhir siklus kehidupan bintang katai putih.

Katai putih terbentuk jika sebuah bintang tidak lagi memiliki energi dalam intinya karena semua hidrogen dan helium telah habis terbakar dalam proses reaksi nuklir. Hanya tersisa karbon dan oksigen. Dengan cara yang sama, pada masa depan, matahari kita akan lenyap dan mendingin pada saat telah mencapai siklus akhirnya sebagai sebuah bintang katai putih.

Menunggu sebuah katai putih yang merupakan bagian dari sistem bintang berpasangan (bintang biner) adalah bagian yang paling menarik. Bintang katai putih ini, dengan gravitasinya yang kuat, akan mencaplok gas-gas bintang pasangannya. Namun demikian, saat bintang katai putih telah tumbuh hingga massanya menjadi 1,4 massa matahari, bintang ini tidak mampu lagi menyatukan materi-materi pembentuknya. Jika hal ini terjadi, bagian dalam bintang katai tersebut menjadi cukup panas untuk memulai reaksi fusi yang tidak terkendali, dan bintang yang ada di dekat katai putih tersebut akan segera tercabik-cabik dalam hitungan detik.

Produk fusi inti memancarkan radiasi yang kuat yang bertambah semakin cepat selama beberapa minggu pertama sejak terjadinya ledakan, dan hanya akan mengalami pengurangan selama beberapa bulan kemudian. Pada seluruh semesta yang dapat terlihat, terdapat sekitar 10 jenis supernova Ia yang terjadi setiap menitnya. Namun demikian, alam semesta ini sangat luas. Pada sebuah galaksi tertentu hanya satu atau dua ledakan supernova yang terjadi dalam ribuan tahun. Pada bulan September 2011, kita akhirnya beruntung dapat mengamati satu dari sekian banyak supernova ini pada sebuah galaksi yang dekat dengan galaksi Big Dipper. Supernova ini dapat terlihat cukup dengan sepasang teropong binokuler. Tetapi hampir semua supernova memiliki jarak yang sangat jauh, sehingga cahayanya kelihatan redup.

Kesimpulan yang mengejutkan


Untuk dapat sampai pada hasil penelitian yang meyakinkan tentang percepatan pengembangan alam semesta ini, fisikawan harus menyisiri cakrawala untuk dapat menemukan supernova yang jauh. Caranya adalah dengan membandingkan dua citra bagian kecil dari langit yang sama, yang bersesuaian dengan gambar seukuran lengan. Citra pertama harus diambil tepat setelah bulan baru dan citra kedua diambil beberapa minggu kemudian, sebelum cahaya bulan menenggelamkan cahaya bintang itu. Kedua citra itu kemudian dibandingkan dengan harapan dapat menemukan setitik kecil cahaya –satu piksel di antara piksel-piksel lainnya pada citra CCD. Titik piksel cahaya tersebut kemungkinan merupakan sebuah petanda adanya supernova pada sebuah galaksi yang sangat jauh. Hanya supernova yang berjarak lebih dari sepertiga jarak seluruh semesta yang tampak yang dapat digunakan, demi menghilangkan adanya distorsi lokal.

Tetapi masalah yang dihadapi bukan hanya distorsi lokal itu. Ada banyak masalah lain. Supernova jenis Ia tidak semeyakinkan supernova tersebut pada awal-awal penampakannya. Pada awal penampakannya, ledakan yang dihasilkan akan sangat terang namun lama-lama akan menghilang secara pelan-pelan. Cahaya supernova juga perlu dipisahkan dari cahaya latar belakang galaksi tempat supernova itu. Hal penting lainnya adalah bagaimana memperoleh kecerahan cahaya yang benar. Debu antar galaksi yang terdapat antara kita dan bintang-bintang dapat mengubah cahaya bintang itu. Hal ini mempengaruhi hasil yang diperoleh dalam perhitungan kecerahan maksimum dari supernova.

Perburuan supernova tidak hanya menantang keterbatasan sains dan teknologi tetapi juga menantang logistik sains dan teknologi itu. Pertama, jenis supernova yang tepat harus ditemukan. Kedua, pergeseran merah supernova dan kecerahannya harus diukur. Kurva cahaya harus dianalisa sepanjang waktu untuk dapat membandingkannya dengan supernova lainnya dengan jenis yang sama pada jarak yang diketahui. Semua ini membutuhkan sebuah jaringan ilmuwan yang dapat memutuskan dengan cepat apakah sebuah bintang tertentu merupakan sebuah calon yang tepat untuk diamati. Para ilmuwan harus dapat berpindah-pindah di antara teleskop dan memiliki jaminan waktu observasi pada sebuah teleskop tanpa jeda, sebuah prosedur yang biasanya butuh waktu berbulan-bulan. Mereka perlu bekerja cepat karena supernova meledak dengan cepat.

Terdapat banyak sekali jebakan-jebakan kesalahan yang mungkin dilakukan, tetapi para fisikawan yang terlibat dalam penelitian ini meyakini hasil akhir yang mereka peroleh karena mereka menemukan hasil yang memiliki kesamaan yang luar biasa: mereka menemukan bahwa secara keseluruhan, terdapat 50 supernova jauh yang cahayanya kelihatan lebih lemah dari yang diharapkan. Hal ini tentu saja berlawanan dengan harapan awal bahwa semesta ini dalam keadaan statis. Jika saja pengembangan kosmik telah kehilangan kecepatannya, maka supernova itu seharusnya kelihatan lebih terang. Namun demikian, kenyataannya supernova tersebut semakin redup yang berarti bahwa supernova terbawa menjauh dengan kecepatan yang semakin bertambah oleh galaksi-galaksi. Kesimpulan mengejutkan dari fakta ini adalah pengembangan jagad raya bukannya melemah, tetapi justru pengembangan itu semakin cepat.

Pertanyaannya adalah, apakah yang menyebabkan pengembangan alam semesta tersebut mengalami percepatan?

Jawabannya adalah sebentuk energi yang diistilahkan sebagai energi gelap!

Subjek tentang energi gelap ini merupakan sebuah tantangan bagi fisikawan, sebuah teka-teki yang tak seorang pun yang mampu menjelaskannya. Sejumlah ide telah diajukan. Yang paling sederhana adalah dengan mengenalkan kembali konstanta kosmologi Einstein, yang sebelumnya telah ditolak oleh Einstein sendiri. Pada waktu itu, Einstein memasukkan konstanta kosmologi tersebut sebagai sebuah gaya anti gravitasi untuk melawan gaya gravitasi antar materi dan dengan demikian menghasilkan sebuah alam semesta yang statis. Tetapi berdasarkan hasil penelitian yang memperoleh nobel fisika tahun 2011 ini, konstanta kosmologi dimasukkan untuk memberikan penjelasan bahwa pengembangan alam semesta mengalami percepatan.

Konstanta kosmologi ini tentu saja merupakan sebuah konstanta yang tidak berubah-ubah. Ini berarti energi gelap menjadi dominan pada saat gravitasi materi terlebur oleh proses pengembangan alam semesta selama miliaran tahun. Menurut ilmuwan, inilah yang menyebabkan mengapa konstanta kosmologi baru memasuki panggung sejarah alam semesta, sekitar lima sampai enam miliar tahun yang lalu. Pada waktu itu, gaya gravitasi materi telah cukup melemah dibandingkan dengan konstanta kosmologi dan sejak saat itulah, pengembangan alam semesta telah mengalami percepatan.

Konstanta kosmologi ini mungkin bersumber dari dalam vakum, sebuah ruang kosong yang menurut fisika kuantum tidak pernah bisa benar-benar kosong. Bahkan, kevakuman merupakan sebuah gelembung busa kuantum dimana partikel-partikel semu materi dan antimateri muncul dan menghasilkan energi kemudian hilang dan muncul kembali secara berulang-ulang. Namun demikian, hasil prediksi paling sederhana tentang jumlah energi gelap tidak sesuai sama sekali dengan jumlah yang telah terukur dalam ruang, yaitu sekitar 10120 kali lebih besar. Ini merupakan perbedaan yang sangat besar antara teori dan hasil pengamatan dan hingga kini masih belum dapat terjelaskan.

Mungkin saja energi gelap tidak konstan tetapi berubah-ubah selama ini. Mungkin sebuah medan gaya yang tidak diketahui telah menghasilkan energi gelap. Dalam fisika terdapat banyak jenis medan gaya seperti itu, yang secara keseluruhan disebut dengan quintessence, sebuah kata Yunani yang berarti unsur kelima. Quintessence dapat mempercepat semesta, tetapi hal itu hanya terjadi sekali-sekali. Hal tersebut menyebabkan kita tidak mungkin melihat ke depan mengenai takdir alam semesta ini.

Apapun energi gelap itu, energi ini tampaknya betul-betul ada. Energi tersebut mengisi dengan baik puzzle kosmologi fisika yang telah dipelajari oleh fisikawan dan astronom sejauh ini. Sesuai dengan kesepakatan yang diterima sekarang, sekitar ¾ alam semesta kita berisi energi gelap. Sisanya adalah materi. Tetapi materi tertentu, seperti materi pembentuk galaksi, bintang, manusia, bunga-bunga dan sebagainya, hanya lima persen dari alam semesta ini. Selebihnya adalah materi yang disebut materi gelap yang sejauh ini bersembunyi dari kita.

Materi gelap merupakan misteri lain dalam keluasan kosmos yang belum kita ketahui. Seperti energi gelap, materi gelap tidak dapat terlihat. Sehingga kita mengetahui keberadaan keduanya hanya melalui efek yang ditimbulkannya – satunya bersifat mendorong, satunya lagi bersifat menarik. Mereka hanya memiliki sifat “gelap” secara umum.

Apa yang telah ditemukan oleh para peraih nobel fisika tahun 2011, telah membantu kita menyingkap sedikit hal tentang semesta yang 95 persennya sama sekali tidak diketahui oleh sains.

Wallahu a’lam.

Referensi:
Perlmutter, S. (2003) Supernovae, Dark Energy and the Accelerating Universe, Physics Today, vol. 56,no. 4.
Krauss, L.M., Turner, M.S. (2004) A Cosmic Conundrum, Scientific American, www.scientificamerican.com/article.cfm?id=a-cosmic-conundrum
Riess, A.G., Turner, M.S. (2008) The Expanding Universe: From Slowdown to Speedup, Scientific American, www.scientificamerican.com/article.cfm?id=expanding-universe-slows-then-speeds
Appell, D. (2008) Dark Forces at Work, Scientific American, www.scientificamerican.com/article.cfm?id=dark-forces-at-work

Sumber: popular-physicsprize 2011-nobel prize 2011


0 komentar :

Posting Komentar