Mengenal Big Bang, Teori Awal Terciptanya Alam Semesta

2. Awal abad ke-20, saat teori Big Bang berkembang pesat, dari Slipher hingga Friedmann

luasanya alam semesta (space.com)

Bermula pada 1912, astronom Amerika, Vesto Slipher, mengamati efek Doppler pada nebula spiral (nama untuk "galaksi spiral" saat itu). Slipher menemukan bahwa hampir semua nebula menjauh dari Bumi. Saat itu, para astronom, termasuk Slipher, tidak sadar bahwa "nebula" tersebut ada di luar Bimasakti!

Tiga tahun kemudian, ilmuwan terkemuka Jerman, Albert Einstein mengeluarkan teori relativitas umum yang menjadi salah satu landasan teori Big Bang. Merasa teorinya salah, Einstein menambahkan konstanta kosmologis pada 1917. Oleh karena itu, model alam semesta menurut Einstein adalah statis, atau tidak berubah.

Pada 1922, ilmuwan dan astronom Rusia, Alexander Friedmann, menjadi yang pertama menggunakan teori relativitas Einstein tanpa konstanta kosmologis, menghasilkan "Persamaan Friedmann". Bertentangan dengan teori alam semesta statis Einstein, Friedmann mengungkapkan bahwa alam semesta terus mengembang.

3. Hukum Hubble dan Lemaitre, fondasi utama teori Big Bang

ilustrasi ekspansi alam semesta setelah Big Bang (wikimedia.org)

Dua tahun setelah Friedmann mengemukakan teorinya, astronom Amerika, Edwin Hubble, menemukan bahwa "nebula spiral" ternyata adalah galaksi. Mengacu pada persamaan Friedmann, pada 1927, pendeta Katolik dan astronom Belgia, Georges Lemaître, mengatakan bahwa resesi nebula disebabkan oleh ekspansi alam semesta.

Betul saja, pada 1929, Hubble mengeluarkan "Hukum Hubble" yang menyatakan bahwa jarak sama dengan kecepatan resesi galaksi lewat pergeseran merah (redshift). Jadi, semakin besar jarak galaksi dari Bumi, semakin cepat galaksi menjauh. Dengan kata lain, sebelum menjauh, seluruh materi seharusnya bersatu dalam sebuah singularitas.

Hal inilah yang kemudian diungkapkan oleh Lemaître pada 1931 lewat "hipotese de l'atome primitif" atau Hipotesis Atom Purba. Lemaître mengatakan bahwa semakin kita kembali ke masa lalu, maka ukuran alam semesta semakin mengecil hingga di satu waktu alam semesta adalah satu titik, sebuah "atom purba".

Baca Juga: Percayakah? 7 Mitos dan Teori Kontroversial tentang Bulan

4. Model Lemaître vs. Model Hoyle

Fred Hoyle (kiri) berbincang dengan Georges Lemaître (kanan) pada 1950an. researchgate.net

Setelah berakhirnya Perang Dunia II (PD2), Hukum Hubble pun menghasilkan dua model mengenai awal alam semesta, yaitu:

• Model Lemaître: ilmuwan Rusia-Amerika George Gamow. Disebut "nukleosintesis dentuman besar" (Big Bang Nucleosynthesis, BBN), model Lemaître dikatakan sebagai cikal bakal radiasi latar belakang gelombang mikro kosmis (Cosmic Microwave Background radiation, CMB).
  
  
• Model Hoyle: oleh ilmuwan dan astronom asal Inggris, Fred Hoyle. Hoyle juga mencetuskan teori "Keadaan Tetap" atau Steady State, di mana materi baru di alam semesta terus terbentuk seiring ekspansi alam semesta. Dengan kata lain, alam semesta tetap sama.

Pada gelar wicara bersama radio BBC pada 1949, Hoyle adalah yang pertama mencetuskan istilah "Big Bang" untuk teori Lemaître. Konon dimaksud sebagai sindiran, istilah Big Bang kemudian populer untuk menjelaskan model Lemaître. Untuk sementara, para ilmuwan terbagi pada dua model tersebut.

Pada 1964, model Lemaître keluar sebagai pemenangnya. Dengan ditemukannya CMB, model Lemaître atau Big Bang semakin dikokohkan sebagai teori terbaik dalam menjelaskan kelahiran alam semesta.

5. CMB, bukti terkuat dari kejadian Big Bang yang ditemukan tak sengaja

Receiver di Bell Labs yang digunakan Arno Penzias dan Robert Wilson untuk menangkap CMB pertama pada 1964. commons.wikimedia.org

Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmis atau CMB adalah radiasi elektromagnetik tertua yang memenuhi seluruh ruang angkasa dan dianggap sisa dari Big Bang.

Dideteksi dengan teleskop radio yang sensitif, CMB berupa noise atau cahaya yang redup, tidak berasal dari bintang, galaksi, atau benda langit lainnya, dan terdeteksi paling kuat di ranah gelombang mikro spektrum radio.

Semua bermula pada 1948. Saat itu, duo ilmuwan Amerika, Ralph Alpher dan Robert Herman, mengatakan bahwa suhu alam semesta adalah 5 derajat Kelvin (-268.15 derajat Celsius). Salah perhitungan, Alpher dan Herman kemudian mengatakan kalau suhunya berubah menjadi 28 derajat Kelvin (-245 derajat Celsius) pada 1949.

Sekitar 15 tahun kemudian, astronom Amerika dari Bell Telephone Laboratories, Arno Penzias dan Robert Wilson, tengah membangun receiver untuk komunikasi satelit dan radio astronomi. Receiver tersebut kemudian mendeteksi noise yang 100 kali lebih tinggi dari prakiraan.

Hasil CMB tangkapan WMAP selama 7 tahun dengan suhu rata-rata 2,7 Kelvin (-270 Celsius). commons.wikimedia.org

Pertama kali, mereka mengira hal tersebut dikarenakan sarang dan kotoran burung merpati yang menghalangi receiver. Namun, setelah dibersihkan, ternyata noise-nya tetap dan terlihat menyebar di langit. Bukan dari Bumi, Matahari atau bahkan Bimasakti, Penzias dan Wilson mengatakan kalau temuan ini dari luar galaksi!

Saat itu ahli astrofisika dari Princeton University, Robert H. Dicke, Jim Peebles, dan David Wilkinson pun tengah mencari radiasi gelombang mikro. Mereka berhipotesis kalau Big Bang menyebabkan ledakan radiasi. Dengan alat yang tepat, Dicke, Peebles, dan Wilkinson yakin bahwa radiasi ini, dalam bentuk gelombang mikro, masih dapat dideteksi.

Mendengar kabar tersebut, Penzias dan Wilson yakin terhadap penemuan mereka karena sesuai dengan kriteria. Dicke, Peebles, dan Wilkinson menemui Penzias dan Wilson, dan setelah melihat penemuan mereka berdua, para ahli astrofisika Princeton yakin bahwa inilah bukti radiasi dari Big Bang.

Penzias dan Wilson kemudian mengungkapkan bahwa suhu alam semesta ada di kisaran 3 derajat Kelvin (-270 derajat Celsius). Atas penemuannya, Penzias dan Wilson dianugerahi Penghargaan Nobel di Bidang Fisika pada 1978.

6. CMB dalam menentukan umur dan komposisi alam semesta

CMB menurut tangkapan wahana antariksa COBE (1989), WMAP (2001), dan Planck (2009). commons.wikimedia.org

CMB telah diamati dalam banyak misi luar angkasa dunia. Salah satu misi penjelajahan luar angkasa paling terkenal adalah wahana antariksa NASA, Cosmic Background Explorer (COBE), yang memetakan langit pada 1989-1993.

Selain COBE, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) NASA pada 2003-2010, dan satelit Planck dari Badan Antariksa Eropa (ESA) juga ikut mencari CMB.

Diluncurkan pada 2009 hingga 2013, wahana antariksa Planck kemudian memetakan bagian alam semesta yang belum terjangkau sebelumnya. Selain pemetaan tersebut, Planck menyatakan kalau usia alam semesta adalah 13,82 miliar tahun!

Pemetaan alam semesta lewat CMB juga memberikan petunjuk lebih lanjut mengenai komposisi alam semesta. Para ilmuwan dikejutkan bahwa alam semesta "dikuasai" oleh materi dan energi yang tidak terdeteksi, sehingga disebut materi dan energi "gelap". Hanya 5 persen alam semesta (planet, bintang, dan galaksi) yang terdiri dari materi biasa.

7. Ion helium hidrida (HeH+), materi pertama yang muncul setelah Big Bang

Nebula NGC 7027 lewat Teleskop Hubble, Juni 2020. commons.wikimedia.org

Pada 2019, sebuah penelitian gabungan di Jerman dan AS berhasil memecahkan salah satu misteri Big Bang: "Apa materi pertama yang terbentuk?". Bertajuk "Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+", jawabannya adalah ion helium hidrida (HeH+) di nebula NGC 7027, Konstelasi Cygnus berjarak 3.000 tahun cahaya dari Bumi.

Saat alam semesta mulai mendingin, ion-ion unsur cahaya mulai mendekat dan bergabung. Dengan suhu di bawah 4.000 derajat Kelvin (3.726 derajat Celsius), lingkungan tanpa logam serta kepadatan rendah, atom helium netral membentuk ikatan molekul pertama lewat asosiasi radiasi dengan proton, menghasilkan ion HeH+.  

Para ilmuwan memprakirakan 1970an sebagai tahun terbentuknya HeH+ di luar angkasa. Namun, HeH+ tak terdeteksi karena spektrometer terhalang oleh atmosfer Bumi. Selain itu, keterbatasan alat dan resolusi rendah spektrometer membuat HeH+ tetap terselubung.

Model HeH+ dengan komputer. commons.wikimedia.org

Untuk mendeteksi HeH+, para ilmuwan Jerman dan Amerika mengirimkan German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT) dan diterbangkan dengan pesawat NASA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Sebagai satu-satunya alat paling mutakhir, GREAT harus mengudara untuk mendeteksi HeH+.

Setelah tiga penerbangan pada Mei 2016, para peneliti menggunakan spektrometer beresolusi tinggi untuk mengamati NGC 7027. Hasilnya, sinyal jelas dari molekul HeH+. Dengan penemuan tersebut, batasan pembentukan dan penghancuran molekul HeH+ dapat dipetakan dan memberi informasi lebih mengenai Big Bang.

universetoday.com

Dari berbagai teori mengenai permulaan alam semesta, Big Bang adalah yang paling terdepan dan terpercaya. Hal ini dikarenakan berbagai perhitungan, hipotesis, dan observasi manusia turut membenarkannya. Namun, dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, manusia masih mengejar jejak-jejak Big Bang.

Itulah hal-hal yang perlu kamu ketahui mengenai Big Bang. Hingga saat ini, berbagai peneliti dan astronom masih mencari cara untuk mengetahui kejadian ajaib yang melahirkan alam semesta seperti sekarang ini. Sayangnya, manusia masih jauh dari kata "dekat" untuk memecahkan misteri Big Bang!

Baca Juga: Masih Misterius, 8 Teori Unik Pembangunan Candi Borobudur