Model paling terkenal untuk menjelaskan riwayat alam semesta adalah model atau teori Big Bang. Menurut teori ini, alam semesta diawali dengan cosmic singularity atau waktu nol detik alam semesta dimulai. Setelah 10-33 detik, alam semesta memasuki era inflasi, yaitu ukuran alam semesta mengembang dengan sangat singkat dengan besar pengembangan hingga mencapai 1033 kali ukuran semula.
Setelah era “Big Bang”, mulailah terbentuknya partikel standar quark, quark merupakan penyusun dari partikel proton. Partikel quark itu akan membentuk atom hidrogen yang tak stabil, dengan atom H stabil merupakan partikel proton tunggal. Pada saat ini, alam semesta masih sangat panas dan padat sehingga atom hidrogen yang telah terbentuk dapat terionisasi. Sesaat setelahnya, partikel elementer yang terbentuk dapat mengalami kesetimbangan termal melalui interaksi di antara mereka.
Ketika alam semesta ini mengembang, temperatur rata-ratanya akan turun. Imbasnya adalah energi dari partikel yang terbentuk akan turun dan mengakibatkan antarpartikel dapat berinteraksi menjadi unsur baru atau teranilihilasi atau bahkan menjadi partikel bebas. Hidrogen yang semula tak stabil pun menjadi stabil dan foton atau partikel cahaya yang awal mulanya terikat akan lepas/bebas menjadi relik era alam semesta yang panas saat awal pembentukannya.
Jejak foton yang lepas itu ditangkap oleh pengamat di bumi sebagai radiasi latar belakang gelombang mikro (cosmic microwave background / CMB). CMB menjadi salah satu studi mengenai sejarah alam semesta dengan keadaan awal yang bisa ditebak atau dimodelkan dengan pengetahuan terkini sehingga bisa cocok dengan pengamatan keadaan alam semesta sekarang.
Alur evolusi alam semesta ini secara kasar dapat digambarkan dengan kasus termodinamika sederhana. Awalnya, ditinjau sebuah sistem tertutup berupa tabung dengan piston yang dapat digerakkan secara bebas. Di dalam tabung tersebut diletakkan sebongkah es. Bila dipanaskan, es tersebut akan mencair. Bila wadah dipanaskan lagi, air tadi berubah wujud menjadi fase gas berupa uap air. Apa yang terjadi bila uap air tersebut dipanaskan lagi? Energi dari uap air tersebut semakin besar yang artinya laju geraknya akan semakin lebih cepat sehingga dapat menumbuk atau berinteraksi antaruap air dan molekul ini pecah menjadi atom-atom penyusunnya.
Bila dipanaskan lagi, atom-atom saling bertabrakan sehingga menghasilkan elektron-proton. Bila dipanaskan lagi, partikel elementer yang terbentuk dapat berinteraksi satu sama lain sehingga proton pecah menghasilkan quark, sedangkan elektron merupakan partikel dasar yang tidak dapat dipecah lagi.
Cerita mengenai pengembangan alam semesta khususnya dengan penjelasan teori Big Bang berkebalikan dengan cerita es sebelumnya. Pada awalnya, alam semesta berukuran sangat kecil, saat ini suhu akan sangat tinggi dan partikel dasar belum terbentuk. Kemudian, semesta ini akan mengembang dan temperatur akan menurun terus-menerus. Tiga menit setelahnya, partikel dasar mulai terbentuk berupa elektron dan quark. Kemudian, alam semesta mendingin sehingga terbentuk atom hydrogen tak stabil dan seterusnya hingga teramati keadaan alam semesta sekarang dengan suhu rata-rata yang dingin, sekitar 2,7 K.
Bukti-bukti menarik mengenai teori pengembangan alam semesta banyak ditunjukkan lewat hasil penelitian bidang kosmologi maupun astronomi. Contohnya, Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, dan Adam G. Riess berhasil memperoleh penghargaan Nobel tahun 2011 karena menemukan bukti ekspansi alam semesta yang dipercepat melalui pengamatan supernova (ledakan bintang). Tentu saja akan muncul pertanyaan, “Apa yang terjadi nanti bila alam semesta ini terus menerus mengembang dan dipercepat?” Jawaban pertanyaan tersebut merupakan cerita yang akan dibangun oleh hasil penelitian mengenai evolusi alam semesta yang membuat para penelitinya memperoleh penghargaan Nobel Fisika tahun 2019.
Penelitian dari para peraih penghargaan Nobel Fisika tahun 2019 berkontribusi untuk memahami evolusi alam semesta dan letak planet bumi di alam semesta. Ada dua topik berbeda, yaitu kosmologi fisis dan astronomi. James Peebles berkontribusi pada penemuan teoretis tentang kosmologi fisis, sedangkan dua penerima Nobel lain, Michael Mayor dan Didier Queloz berkonstribusi pada penemuan sebuah eksoplanet yang mengorbit pada suatu bintang mirip dengan matahari di tata surya kita.
Ulasan evolusi alam semesta dalam artikel ini erat hubungannya dengan penemuan oleh Peebles. Seperti pada penjelasan sebelumnya bahwa kejadian 400.000 tahun setelah Big Bang alam semesta mulai transparan dan berkas foton mulai dapat menjelajahi alam semesta (CMB), Peebles mampu menginterpretasikan jejak-jejak keadaan awal alam semesta menjadi fenomena fisis baru. Hasilnya, hanya 5% dari isi alam semesta diketahui. Maksudnya 5% ini merupakan partikel fisis yang membentuk galaksi, planet, pohon, manusia, dan benda lain. Sisanya, 95% pengisi alam semesta merupakan sesuatu yang tak diketahui, dinamakan dark energy dan dark matter.
Karena alam semesta ini didominasi oleh sesuatu yang belum dipahami, energi gelap dan materi gelap menjadi tantangan kajian yang sangat luas dan menarik bagi bidang fisika modern. Pada akhirnya, hasil riset mengenai dua entitas yang belum dipahami tesebut dapat memunculkan cerita menarik bila dikaitkan dengan evolusi alam semesta yang sedang mengembang dan dipercepat.
Penulis:
- Muhammad Rizka Taufani, Alumnus Departemen Fisika Institut Teknologi Bandung.
- Agus Suroso, Dosen dan peneliti fisika teoretis di Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung. Kontak: agussuroso(at)fi.itb.ac.id.
