Sejarah Terbentuknya Alam Semesta

Pemahaman kita tentang sejarah alam semesta divisualisasikan pada gambar di atas, di mana waktu berjalan dari kiri ke kanan. Bumi kita terbentuk saat alam semesta berumur sekitar 9,2 miliar tahun. Alam semesta pun terus berkembang hingga saat ini. Pada bagian pertama telah disajikan struktur alam semesta pada skala yang lebih besar dan bagaimana pemahaman awal manusia rterhadap alam semesta. Sedangkan pada bagian kedua kita akan berbicara tentang Big Bang dan melihat bagaimana perkembangan alam semesta sampai sekarang.

Struktur Terbesar di Ruang Angkasa


Struktur terbesar yang kita tahu adalah filamen galaksi atau kompleks superkluster yang mengelilingi rongga besar di ruang angkasa. Galaksi-galaksi dalam filamen terikat bersama oleh gravitasi. Ketika struktur ini pertama kali ditemukan oleh Margaret Geller dan Yohanes Huchra pada tahun 1989, itu dijuluki “Great Wall.” Namun, masih ada suatu struktur yang jauh lebih besar, “Sloan Great Wall,” yang ditemukan pada tahun 2003 oleh J. Richard Gott III dan Mario Jurić. Saat ini, penelitian terhadap struktur berskala besar alam semesta menggunakan data yang dikumpulkan oleh survei redshift, seperti Sloan Digital Sky Survey. Upaya ini menggunakan sensor kamera digital untuk memotret kawasan langit, menangkap jutaan obyek yang jauh dan data yang diperlukan untuk memetakan mereka dalam ruang 3-D.

Alam Semesta Terjauh


Alam semesta teramati adalah segala sesuatu yang dapat kita deteksi. Ini adalah sebuah bola diameter 93 miliar tahun cahaya yang berpusat di Bumi. Kita tidak dapat merasakan seluruh alam semesta sekaligus karena lambatnya kecepatan cahaya dibandingkan dengan skala besar alam semesta. Saat kita melihat angkasa, kita melihat benda-benda sebagaimana para leluhur melihat mereka dulu. Peningkatan perluasan alam semesta, benda-benda jauh yang lebih jauh dari usia mereka akan membuat kita berpikir. Misalnya, tepi alam semesta yang teramati jauhnya kira-kira 46 miliar tahun cahaya, meskipun usia alam semesta “hanya” 13,7 miliar tahun. Luas alam semesta yang sebenarnya tidak diketahui secara pasti. Alam semesta bisa saja jauh lebih luas dari apa yang kita amati dan mungkin tak terbatas dalam ukuran. Cahaya dari kawasan yang paling jauh tidak akan pernah mampu mencapai kita. Untuk gambar alam semesta teramati yang ada saat ini, kita berutang banyak pada fisikawan Amerika, Alan Guth. Pada 1980-an ia berusaha mencari tahu tentang bagaimana alam semesta muncul dari peristiwa Big Bang.

Waktu Nol: Big Bang

Pada awal abad 20, astronom dan imam Katolik Belgia, Georges Lemaitre, menghitung perkembangan alam semesta. Secara matematis, alam semesta menjalankan ekspansi mundur. Lemaitre berteori bahwa segala sesuatu di alam semesta pada satu waktu merapat [menyatu] menjadi sesuatu yang kecil dan padat. Sesuatu itu ia sebut “atom purba.” Atom tersebut meledak, sebuah peristiwa yang disebut oleh astronom Fred Hoyle sebagai “Big Bang.” Perluasan alam semesta menjelaskan mengapa cahaya obyek jauh bergeser ke arah ujung merah spektrum, sebuah fenomena yang disebut “redshift.” Sama seperti efek Doppler di amna suara kendaraan yang bergerak berubah nada, redshift menyebabkan cahaya bintang-bintang yang bergerak berubah warna sebagaimana panjang gelombangnya akan membentang dikarenakan oleh perluasan ruang. Semakin jauh sebuah objek dari bumi, intervensi ruang akan semakin berkembang dan makin banyak cahaya objek yang akan bergeser ke arah merah. Astronom Amerika, Edwin Hubble, kemudian membuktikan dengan pengamatan di mana redshift memang terkait dengan jarak. Korelasi tersebut sekarang dikenal sebagai hukum Hubble.

Waktu 1 Detik: Inflasi Awal

Para astronom pada tahun 1970-an punya masalah dalam memahami alam semesta awal. Ketika mereka memeriksa ruang angkasa dengan teleskop radio, mereka menemukan radiasi gelombang mikro dengan latar cahaya samar. Variasi kepadatan sinyal gelombang mikro diinterpretasikan sebagai variasi kepadatan materi di alam semesta awal. Anehnya, latar cahaya radiasi seragam ke segala arah. Ini tampaknya tidak masuk akal; ilmuwan berharap untuk menemukan daerah dengan kepadatan ruang dan suhu yang berbeda karena daerah ini tampak terlalu jauh untuk berevolusi bersama. Fisikawan Amerika, Alan Guth, mengusulkan penjelasannya pada tahun 1980. Ia berteori bahwa dalam fraksi kecil dalam waktu hanya mengikuti Big Bang. Alam semesta pun mengalami ekspansi dengan sangat cepat. Dalam sekejap, volumenya meningkat dengan faktor 10ˆ78 (angka 10 diikuti dengan 78 nol) dan peristiwa yang disebut “inflasi” berakhir. Model inflasi menjelaskan mengapa alam semesta muncul seragam di semua arah: segala sesuatu di dalamnya berkembang bersama-sama sebelum inflasi. Ini memiliki implikasi mengejutkan lainnya, yaitu bagian ruang yang dapat kita lihat hanya merupakan sepetak kecil dalam apa yang seharusnya menjadi alam semesta yang luas dan tidak dapat dideteksi secara langsung.

Waktu 1 Detik - 3 Menit: Kuark

Setelah inflasi, terjadi pendinginan meski masih tak terbayangkan betapa panas alam semesta saat mengalami transisi fase. Partikel dasar diciptakan dari bentuk materi yang disebut quark-gluon plasma. Seperseribu detik setelah Big Bang, sejumlah besar materi dan antimateri saling memusnahkan (meninggalkan materi yang ada di alam semesta saat ini). Dalam waktu tiga menit suhu alam semesta turun menjadi sekitar satu miliar derajat dan atom mulai terbentuk yang dimulai dari unsur sederhana: hidrogen dan helium. Plasma quark-gluon alam semesta awal masih bersifat teoritis dan dianggap menjadi kemungkinan karena sebuah teori yang disebut Quantum Chromodynamics. Pertama kali, teori ini dirumuskan fisikawan Amerika, Murray Gell-Mann. Partikel-partikel nuklir dasar, proton dan neutron, yang diperkirakan terbuat dari partikel yang lebih fundamental yang disebut “quark.” Quark tidak pernah ditemukan bepergian sendirian kecuali di bawah suhu yang sangat tinggi, seperti saat setelah Big Bang. Fisikawan mencoba untuk menciptakan kembali plasma yang diperkirakan telah membentuk alam semesta awal di bumi itu. Mereka menggunakan akselerator partikel untuk menghancurkan partikel-partikel subatomik.

Waktu 3 Menit - 379.000 Tahun: Masa Gelap

Selama periode ini, kondisi alam semesta awal panas dan buram. Dimulai pada sekitar 379.000 tahun setelah Big Bang, alam semesta cukup dingin sehingga cahaya bisa memisahkan diri dari materi dan bepergian dengan bebas. Singkatnya, alam semesta menjadi transparan. Foto ini menunjukkan galaksi UDFy-38135539, salah satu galaksi tertua dan paling awal yang pernah ditemukan. Galaksi ini muncul tepat setelah Dark Age, sekitar 480 juta tahun setelah Big Bang.

Waktu 379.000 Tahun - 1 Milyar Tahun: Kelahiran Violent

Selama periode ini, alam semesta awal masih panas dan buram. Dimulai pada sekitar 379.000 tahun setelah Big Bang, alam semesta cukup dingin. Pada tahun 1960, astronom Belanda, Maarten Schmidt, mengidentifikasi benda dalam ruang angkasa yang aneh: sangat terang pada panjang gelombang radio. Ia menyebutnya sebagai “quasi-stellar radio sources.” Sementara astrofisikawan AS, Hong-Yee Chiu, menamai fenomena itu “quasar.” Quasar tertangkap pada tahun 1950 oleh teleskop radio. Ketika Schmidt mengukur jarak quasar dengan mempelajari redshift dari spektrum mereka, apa yang ia temukan sungguh menakjubkan. Benda-benda itu miliaran tahun cahaya jauhnya sehingga sangat terang untuk dapat dideteksi di bumi. Kemudian studi menunjukkan bahwa quasar merupakan galaksi aktif yang telah terbentuk sangat awal dalam sejarah alam semesta. Keruntuhan gravitasi menyebabkan materi menyatu dan akhirnya membentuk lubang hitam raksasa dengan massa miliaran matahari. Sebuah lubang hitam berposisi di tengah-tengah sebuah quasar, mengumpulkan materi dan memanaskannya untuk menjadikannya sebagai plasma bersuhu tinggi yang dapat melakukan perjalanan mendekati kecepatan cahaya. Cahaya itu terpisah dari materi dan bepergian dengan bebas. Singkatnya, alam semesta menjadi transparan. Foto ini menunjukkan galaksi UDFy-38135539, salah satu galaksi tertua dan paling awal yang pernah ditemukan, yang muncul tepat setelah Dark Age sekitar 480 juta tahun setelah Big Bang.

Waktu 1 Milyar Tahun - 9 Milyar Tahun: Tata Surya & Galaksi

Bintang-bintang paling awal terbentuk ketika alam semesta berusia 300 juta tahun. Mereka berusia pendek dan supermasif. Sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium serta tidak mengandung logam. Bintang-bintang tersebut meledak menjadi supernova pertama dan generasi berikutnya tercipta dari sisa-sisa matahari awal. Analisis spektrum cahaya matahari menunjukkan bahwa sisa-sisa matahari awal kaya akan logam. Sumber daya matahari adalah misteri sampai kemudian fisikawan Jerman, Albert Einstein, pada tahun 1905 menyatakan bahwa materi dapat dikonversi menjadi energi dengan persamaan E=mcˆ2. Pada tahun 1920, astrofisikawan Inggris, Sir Arthur Eddington menyarankan bahwa matahari mungkin mendukung sebuah reaktor fusi nuklir yang menghasilkan panas dan energi cahaya dengan mengubah hidrogen menjadi helium. Studi spektrum cahaya matahari dan bintang lainnya menumbuhkan konfirmasi bahwa proses fusi nuklir menciptakan unsur-unsur atom.

Waktu Sekarang: Kehidupan

Para ilmuwan telah mengumpulkan gambaran yang mengesankan dari sejarah, asal usul dan sifat alam semesta kita. Namun, kita tidak tahu segala sesuatu yang perlu diketahui. Masih banyak pertanyaan dalam bidang fisika dan kosmologi. Sebagai contoh:

Apakah materi gelap dan apakah hal itu benar-benar ada? 

Mengapa ekspansi alam semesta tampak cepat? 

Bagaimana bentuk aktual dan ukuran alam semesta dan berapa banyak dimensi yang dimilikinya? 

Bagaimana nasib akhir alam semesta.