melacak sejarah dan komposisi alam semesta

Ada dua cabang ilmu dasar yang mempelajari alam semesta, yaitu astronomi dan kosmologi. Astronomi mempelajari benda-benda angkasa di luar Bumi dan merupakan salah satu ilmu tertua dalam peradaban manusia. Kosmologi kemudian lahir sebagai ilmu yang mempelajari asal-muasal, komposisi, dan perkembangan alam semesta.
Tidaklah sulit untuk mencari objek astronomi. Dua contoh yang paling dekat adalah matahari dan bulan. Tidak perlu instrumen canggih untuk mencari benda-benda angkasa hanya sekadar untuk memulai belajar astronomi. Ada dua contoh objek kosmologi yang paling dekat dengan kehidupan kita. Pertama adalah kegelapan di malam hari, kedua adalah siaran “semut” yang muncul saat pergantian satu channel ke channel lain di pesawat televisi kita. Sekira satu persen dari “semut” yang kita lihat tersebut (Gambar 1) berasal dari Cosmic Microwave Background (CMB/Latar Kosmik Gelombang Radio).

Malam yang gelap
Fenomena malam gelap terlihat sederhana, namun penjelasannya tidaklah begitu sederhana. Kosmologimenganut prinsip bahwa alam semesta dalam skala besar bersifat isotropik dan homogen; karena ada lebih dari 400 miliar (1 miliar = 109) bintang di dalam galaksi kita. Karena ‘dikepung’ oleh bintang-bintang, maka seharusnya Bumi kita terang-benderang baik siang atau malam. Paradoks ini disebut Paradoks Olber (Heinrich Olber, Astronom Jerman, 1758 – 1840).
Salah satu solusi paradoks ini adalah menyaratkan alam semesta memiliki umur tertentu dan mengembang. Inilah dua karakter alam semesta yang penting dalam ilmu kosmologi. Jadi, malam hari yang gelap adalah satu dari dua contoh objek kosmologi yang paling dekat dengan kehidupan kita.
”Cosmic Microwave Background”
CMB adalah radiasi elektromagnetik dengan frekuensi pada daerah gelombang radio. CMB pertama kali terdeteksi secara tidak sengaja oleh Arno Penzias dan Robert Wilson pada tahun 1965 (Gambar 2), yang sedang melakukan riset untuk memperbaiki transmisi data komunikasi untuk kepentingan industri. Mereka mendapat kesulitan untuk menghilangkan gelombang gangguan (noise) pada daerah gelombang radio yang diterima antena mereka dari segala arah. Segala cara sudah dilakukan, termasuk mengusir burung-burung yang bersarang di bagian dalam antena dan membersihkan dari kotorannya.
Gangguan ini ternyata adalah CMB, yang sebelumnya sudah diprediksi oleh George Gamow (1904-1968), pada tahun 1946 sebagai salah satu konsekuensi dari Teori Dentuman Besar (Bigbang Theory). Teori ini menjelaskan kejadian awal alam semesta yang merupakan sebuah titik kecil masif tanpa dimensi dan kemudian meledak sehingga kemudian terciptalah dimensi ruang-waktu, radiasi, dan materi (Gambar 3). Sisa-sisa radiasi yang terjadi saat dentuman itu seharusnya masih ada sampai sekarang dalam bentuk gelombang radio. Penzias dan Wilson mendapatkan Nobel pada tahun 1978 atas pembuktian eksistensi radiasi ini.

CMB, pembuka jalan
Seperti halnya cahaya tampak (pada panjang gelombang 380 nanometer – 780 nanometer), CMB juga terdiri dari partikel cahaya (foton), tapi pada panjang gelombang radio (sekira 1 milimeter sampai dengan 10 milimeter). Foton-foton CMB ini mengisi penuh alam semesta kita dengan kerapatan 400 per cm3–kira-kira ada 400 foton CMB menembus ujung ibu jari kita setiap saat. Jadi, dari satu sisi, Olbert benar bahwa seharusnya Bumi kita dihujani cahaya dari segala arah, sayangnya cahaya itu bukanlah cahaya tampak.
Satelit COBE (Cosmic Background Explorer) yang diluncurkan pada tahun 1989 mengukur temperatur CMB saat ini 2,725 +/- 0,002 derajat K (disebut juga temperatur alam semesta) dan membuktikan bahwa radiasi CMB mengikuti hukum Radiasi Kotak Hitam (Blackbody Radiation). Selain mengukur temperatur, satelit COBE juga “memotret” CMB dan menemukan fluktuasi kecil temperatur pada CMB (anisotropi CMB). Fluktuasi ini kemudian dipelajari sebagai indikasi bagaimana materi dan radiasi terdistribusi saat alam semesta masih sangat muda. Pemahaman ini adalah kunci untuk memahami bagaimana galaksi dan struktur berskala besar pengisi alam semesta kita terbentuk.
COBE kemudian dilanjutkan oleh satelit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) untuk mendapatkan fluktuasi CMB dengan akurasi lebih tinggi (Gambar 4). Satelit ini diluncurkan pada tahun 2001 dan memberikan hasil lebih mengejutkan daripada COBE. Salah satunya adalah perhitungan kandungan alam semesta yang terdiri dari komposisi 4 persen dari materi dan radiasi yang kita kenal, 22 persen dari materi tak dikenal (disebut dark matter), dan 74 persen dari energi yang misterius (disebut dark energy).

”Dark matter” &”dark energy”
Dark matter terdeteksi dari ketidakcocokan antara perhitungan per putaran galaksi Bima Sakti dan pengamatan langsung kecepatan galaksi. Dari pengetahuan kita tentang sifat fisik galaksi Bima Sakti kita bisa menghitung kecepatan perputaran galaksi. Namun, pengamatan menunjukkan hasil lain yang menandakan bahwa ada massa yang tidak teridentifikasikan dalam galaksi Bima Sakti. Massa yang tidak teridentifikasikan inilah yang dinamai dark matter.
Berbeda dengan lubang hitam (black hole), dark matter tidak memancarkan atau memantulkan radiasi. Ini membuat astronom kesulitan untuk mendeteksinya. Selain dari pengamatan kecepatan galaksi, dark matter bisa dideteksi dari pengaruh gaya gravitasi yang dipancarkannya. Satelit WMAP menyatakan 22 persen alam semesta terdiri dari dark matter.
Sementara dark energy adalah energi yang melawan gaya gravitasi – disebut juga anti-gravitasi. Energi ini sudah diprediksi oleh teori Relativitas Umum Einstein, energi inilah yang menyebabkan alam semesta sedang mengembang dengan percepatan tertentu, mengalahkan gaya gravitasi, seperti saat ini. Alam semesta mengembang dengan percepatan tertentu telah dibuktikan oleh Edwin Hubble (1889-1953), astronom Amerika Serikat, pada tahun 1929. Dan satelit WMAP mendeteksi 74 persen komposisi alam semesta adalah dark energy. Beberapa eksperimen berteknologi canggih dan beragam metode sedang dirancang untuk melacak lebih akurat mengenai eksistensi dark matter dan dark energy.
Sementara itu, materi yang terbuat dari atom-atom, atom-atom yang tersusun dari proton-neutron-elektron, dan proton-neutron yang terbuat dari quark, serta radiasi sebagai manifesto cahaya hanyalah mengisi 4 persen dari alam semesta kita. Dengan kata lain, ilmu fisika kita yang sudah kita anggap mapan hanyalah sanggup untuk menjelaskan 4 persen dari alam semesta kita – dan itu pun belum sempurna karena masih banyak hal-hal yang belum sempurna terjelaskan dari interaksi materi dan radiasi. Baik dark matter maupun dark energy adalah tambahan misteri di dunia sains kita.