Misteri Terbesar Alam Semesta (dan Mengapa Mereka Belum Terpecahkan) – Dalam dekade terakhir, kami telah mengambil foto lubang hitam, mengintip ke dalam jantung atom dan melihat kembali kelahiran alam semesta.
Misteri Terbesar Alam Semesta (dan Mengapa Mereka Belum Terpecahkan)
diodati.org – Namun, ada celah yang menganga dalam pemahaman kita tentang Alam Semesta dan hukum yang mengaturnya. Ini adalah misteri yang akan mengganggu fisikawan dan astronom selama dekade berikutnya dan seterusnya.
Mengapa ada sesuatu daripada tidak sama sekali?
Pada mulanya, menurut gambaran standar kosmologi, adalah ‘kekosongan inflasi’. Itu memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi dan gravitasi yang menjijikkan, menyebabkannya mengembang. Semakin banyak, semakin besar tolakan dan semakin cepat meluas.
Baca Juga : Webb Menemukan Galaksi Masif yang Mengejutkan di Alam Semesta
Sama dengan semua hal ‘kuantum’, ruang hampa ini tidak dapat diprediksi. Di lokasi acak, itu membusuk menjadi ruang hampa sehari-hari yang biasa. Energi luar biasa dari kekosongan inflasi harus pergi ke suatu tempat.
Dan itu digunakan untuk menciptakan materi dan memanaskannya ke suhu yang sangat tinggi – untuk menciptakan ledakan besar. Alam Semesta kita hanyalah salah satu gelembung Big Bang dalam kekosongan inflasi yang terus berkembang.
Hebatnya, seluruh proses ini bisa dimulai dengan sepotong vakum inflasi dengan massa yang setara dengan sekantong gula. Dan, mudahnya, hukum fisika – khususnya, fisika kuantum – mengizinkan materi semacam itu muncul dari ketiadaan. Tentu saja, pertanyaan jelas berikutnya sekarang adalah: dari mana hukum fisika berasal?
Pada tahun 1918, ahli matematika Jerman Emmy Noether menjelaskan hal ini. Dia menemukan bahwa hukum konservasi yang agung hanyalah konsekuensi dari simetri ruang dan waktu yang dalam – hal-hal yang tetap sama jika sudut pandang kita berubah.
Sifat mencolok dari simetri semacam itu adalah bahwa mereka juga merupakan simetri kehampaan – dari Alam Semesta yang sepenuhnya kosong. Jadi mungkin transisi dari nol menjadi sesuatu bukanlah masalah besar. Mungkin itu hanyalah perubahan dari ketiadaan menjadi ketiadaan ‘terstruktur’ dari Alam Semesta kita yang dipenuhi galaksi.
Tetapi mengapa perubahan itu terjadi? Fisikawan Amerika Victor Stenger menunjukkan fakta bahwa ketika suhu turun, air berubah menjadi air terstruktur, atau es, karena es lebih stabil. Mungkinkah, dia berspekulasi, bahwa Alam Semesta berubah dari ketiadaan menjadi ‘ketiadaan terstruktur’ karena tidak ada struktur yang lebih stabil?
Mengapa ada lubang hitam monster di jantung setiap galaksi?
Ada sekitar dua triliun galaksi di alam semesta kita dan, sejauh yang kita tahu, hampir setiap galaksi berisi pusat lubang hitam supermasif . Ukurannya beragam, mulai dari monster, dengan berat hampir 50 miliar kali massa Matahari, hingga tiddler bermassa 4,3 juta matahari yang dikenal sebagai Sagitarius A* di inti Bima Sakti kita (satu massa matahari = massa Matahari kita) . Tapi bagaimana mereka sampai di sana adalah salah satu misteri besar kosmologi yang belum terpecahkan.
Kita tahu bahwa lubang hitam bintang terbentuk dalam ledakan supernova di mana inti bintang meledak. Tapi tidak ada yang tahu bagaimana lubang hitam supermasif terbentuk.
Untuk sebagian besar sejarah kosmik, pusat galaksi telah menjadi tempat banyak materi terkurung dalam volume kecil. Bisa jadi lubang hitam supermasif terbentuk di gugusan bintang padat dari lubang hitam bintang yang berulang kali bergabung satu sama lain.
Bukti tentatif untuk ini berasal dari penggabungan antara dua lubang hitam yang diungkapkan oleh pendeteksian gelombang gravitasi. Satu lubang terlalu besar untuk menjadi peninggalan supernova dan mungkin berasal dari penggabungan sebelumnya.
Cara alternatif untuk membentuk lubang hitam supermasif adalah dari penyusutan langsung awan padat gas. Bisa jadi mereka terbentuk dari kombinasi keruntuhan awan dan penggabungan lubang hitam.
Mungkin juga lubang hitam supermasif terbentuk saat Big Bang. Ini akan memberikan jawaban baru untuk pertanyaan kosmik ayam dan telur: mana yang lebih dulu – galaksi atau lubang hitam supermasif? Alih-alih galaksi terbentuk terlebih dahulu dan kemudian menelurkan monster seperti itu, lubang hitam supermasif akan terbentuk lebih dulu dan menyediakan benih yang membentuk galaksi bintang.
Terlepas dari massanya, bahkan lubang hitam supermasif terbesar pun hampir tidak lebih besar dari Tata Surya. Namun mereka memproyeksikan kekuatan mereka melintasi jutaan tahun cahaya melalui pancaran materi super cepat yang diarahkan berlawanan. Di mana semburan seperti itu dengan cepat – di wilayah dalam galaksi – mereka mengusir gas dan memadamkan pembentukan bintang; di mana mereka melambat – di daerah luar – mereka memampatkan gas dan memicu pembentukan bintang.
Nyatanya, pancaran kuat dari lubang terbesar tampaknya mengendalikan massa bintang yang terbentuk, dengan kecenderungan bintang yang lebih kecil dan lebih dingin seperti Matahari kita. Jadi, siapa tahu, mungkin kita bisa berterima kasih kepada Sagitarius A* untuk Matahari kita, yang tanpanya Anda mungkin tidak akan membaca halaman ini.
Apa itu materi gelap?
Materi gelap tidak mengeluarkan cahaya atau terlalu sedikit cahaya untuk kita deteksi. Kami tahu itu ada karena kami melihat efek gravitasinya pada bintang dan galaksi yang terlihat. Misalnya, Bima Sakti tidak dapat menarik materi yang cukup untuk membuat bintang-bintangnya dalam 13,82 miliar tahun sejak Big Bang tanpa ada banyak materi tak terlihat yang gravitasi ekstra mempercepatnya.
Satelit Planck Badan Antariksa Eropa menemukan bahwa materi gelap menyumbang 26,8 persen dari massa-energi alam semesta dibandingkan dengan 4,5 persen materi ‘atomik’ normal. Oleh karena itu, ia melebihi bintang dan galaksi yang terlihat dengan faktor sekitar enam kali.
Untuk waktu yang lama, kandidat favorit untuk partikel materi gelap adalah Partikel Masif yang Berinteraksi Secara Lemah, atau WIMP. Tetapi meskipun partikel-partikel ini sesuai, mereka gagal muncul di Large Hadron Collider dekat Jenewa di Swiss. Kandidat yang mendapat dukungan adalah ‘axion’ super-ringan, partikel subatomik hipotetis. Orang luar peringkat tetap menjadi lubang hitam primordial, yang tersisa dari Big Bang.
Yang membingungkan, tidak ada eksperimen berbasis Bumi yang menemukan bukti materi gelap, meskipun telah dilakukan pencarian selama beberapa dekade. Dapat dibayangkan bahwa bukan teori kita tentang materi yang perlu dimodifikasi tetapi teori gravitasi kita.
Atau bahwa materi gelap bukanlah cairan yang terbuat dari partikel tunggal, melainkan kompleks seperti materi atom yang kita lihat di sekitar kita. Mungkin Semesta dipenuhi dengan bintang-bintang gelap dan planet-planet gelap dan kehidupan yang gelap!
Apakah waktu itu ada?
Waktulah yang menghentikan segala sesuatu yang terjadi sekaligus,” kata fisikawan Amerika John Wheeler. Tapi waktu adalah konsep yang licin. Sebagian besar dari apa yang kita pikir kita tahu adalah salah.
Misalnya, kita membayangkan waktu mengalir. Namun, agar sesuatu dapat mengalir, ia harus mengalir terhadap sesuatu yang lain, seperti sungai yang mengalir terhadap tepian sungai. Apakah waktu mengalir sehubungan dengan sesuatu yang lain – jenis waktu kedua? Gagasan itu tampaknya tidak masuk akal. Kemungkinan besar, aliran waktu adalah ilusi yang diciptakan oleh otak kita untuk mengatur informasi yang terus mengalir masuk melalui indera kita.
Kami juga memiliki perasaan yang kuat tentang masa lalu, sekarang, dan masa depan bersama. Namun, gagasan tentang hadiah bersama tidak muncul di mana pun dalam deskripsi fundamental kita tentang realitas: relativitas. Tepatnya bagaimana waktu orang lain dipotong tergantung pada seberapa cepat mereka bergerak relatif terhadap Anda atau kekuatan gravitasi yang mereka alami.
Efek ini hanya terlihat pada kecepatan relatif yang mendekati cahaya atau gravitasi yang sangat kuat, itulah sebabnya efek ini tidak terlihat jelas di dunia sehari-hari. Namun demikian, mereka mengarah pada gagasan bahwa selang waktu satu orang tidak sama dengan selang waktu orang lain, dan selang waktu satu orang tidak sama dengan selang waktu orang lain.
Sebenarnya, ini lebih buruk. Ruang dan waktu saling terkait erat. Di Alam Semesta kita, semua peristiwa – dari Big Bang hingga kematian Alam Semesta – ditata dalam peta ruang-waktu empat dimensi yang sudah ada sebelumnya. Tidak ada yang benar-benar ‘bergerak’ sepanjang waktu.
Seperti yang ditulis Einstein setelah kematian temannya Michele Besso: “Sekarang dia telah pergi dari dunia aneh ini sedikit di depan saya. Itu tidak berarti apa-apa. Orang-orang seperti kita, yang percaya pada fisika, tahu bahwa perbedaan antara masa lalu, sekarang, dan masa depan hanyalah ilusi yang terus-menerus bertahan.”
Jika perluasan Alam Semesta dibayangkan berjalan mundur seperti film secara terbalik, pada saat-saat paling awal ruang dan waktu keduanya tercabik-cabik. Oleh karena itu fisikawan menduga bahwa waktu Big Bang muncul dari sesuatu yang lebih mendasar. Sampai sekarang, tidak ada yang tahu apa itu.
Apa itu energi gelap?
Itu tidak terlihat, mengisi semua ruang dan gravitasinya yang menjijikkan mempercepat perluasan alam semesta. ‘Energi gelap’ ditemukan oleh ahli astrofisika pada tahun 1998. Mereka mempelajari supernova tipe 1A – ledakan bintang yang diyakini melepaskan energi dalam jumlah tetap dan terbakar dengan luminositas standar seperti bola lampu kosmik 100W.
Masalahnya adalah supernova terjauh lebih redup dari yang diperkirakan. Ekspansi kosmik telah dipercepat, mendorong mereka semakin jauh.
Pada saat itu, satu-satunya gaya yang diperkirakan beroperasi di alam semesta berskala besar adalah gravitasi, yang bertindak seperti jaring tak terlihat di antara galaksi-galaksi, menghambat ekspansi kosmik.
Penemuan bahwa perluasan ruang sedang mempercepat kosmolog tercengang yang dipaksa untuk mendalilkan keberadaan suatu zat yang secara mengejutkan menyumbang dua pertiga massa-energi alam semesta. ‘Energi gelap’ ini mengalahkan gravitasi dan menguasai alam semesta sekitar lima miliar tahun yang lalu.
Salah satu kemungkinannya adalah energi gelap adalah konstanta kosmologis, tolakan intrinsik ruang. Tolakan seperti itu mungkin timbul dari fluktuasi energi kuantum dalam ruang hampa.
Namun, ketika teori kuantum, teori terbaik kita tentang dunia submikroskopik, diterapkan pada ruang hampa, ahli teori memprediksi kerapatan energi 10 diikuti oleh 120 nol lebih besar daripada energi gelap: perbedaan terbesar antara prediksi dan pengamatan di sejarah ilmu pengetahuan.
Bisa dibayangkan, perbedaan itu akan hilang ketika kita akhirnya berhasil menggabungkan teori kuantum dengan teori gravitasi Einstein. Sementara itu, eksperimen luar angkasa dapat membantu. Pada tahun 2022, Badan Antariksa Eropa akan meluncurkan Euclid, yang akan mengukur bagaimana energi gelap bervariasi dengan waktu kosmik, semoga memberikan petunjuk penting untuk memecahkan teka-teki terbesar dalam sains.
Mengapa kita tidak melihat tanda-tanda alien?
Pada tahun 1950, Enrico Fermi, orang yang membangun reaktor nuklir pertama, sedang makan siang di kantin lab bom Los Alamos di New Mexico ketika dia tiba-tiba berkata: “Di mana semua orang?” Semua orang di sekitar meja tahu persis apa yang dia maksud.
Beberapa dekade kemudian, pertanyaan Fermi diperiksa secara independen oleh fisikawan Amerika Michael Hart dan Frank Tipler. Hart menganggap alien menyebar di seluruh Bima Sakti kita dan Tipler mempertimbangkan mesin yang mereplikasi diri yang, saat tiba di sistem planet, mengeksploitasi sumber daya untuk membangun dua salinan dirinya yang terus berlayar.
Keduanya menyimpulkan bahwa, bahkan dengan kecepatan perjalanan sedang, setiap bintang di Galaksi akan dikunjungi dalam sepersekian usia Bima Sakti. Seperti yang disadari Fermi, alien seharusnya ada di Bumi. Sepertinya tidak. Ini menjadi ‘paradoks Fermi’.
Ratusan penjelasan telah diajukan. Mereka termasuk gagasan bahwa kita adalah kecerdasan pertama yang muncul di Galaksi dan benar-benar sendirian, dan bahwa kita adalah dunia pembibitan, terlarang bagi peradaban maju yang mungkin berdampak buruk pada perkembangan kita.
Kemungkinan yang lebih biasa adalah bahwa tidak ada paradoks, karena tanda-tanda kunjungan di masa lalu yang jauh akan terhapus oleh angin, hujan, dan proses geologis. Namun, baru-baru ini, sebuah tim yang dipimpin oleh Dr Jonathan Carroll-Nellenback dari University of Rochester, New York, telah mengusulkan bahwa Matahari kita mungkin saja dilewati oleh gelombang ekspansi ekstraterestrial.
Masih ada pertanyaan mengapa kita tidak melihat tanda-tanda makhluk luar angkasa di Galaksi kita, meskipun telah mencari dengan teleskop selama lebih dari setengah abad. Namun, tim Universitas Negeri Pennsylvania yang dipimpin oleh Dr Jason Wright mengatakan tidak ada misteri: kami telah mencari hanya sebagian kecil dari Galaksi, setara dengan air di bak mandi air panas dibandingkan dengan yang ada di lautan Bumi.