Para astronom telah mengetahui selama beberapa dekade bahwa alam semesta mengembang. Ketika mereka menggunakan teleskop untuk mengamati galaksi-galaksi jauh, mereka melihat bahwa galaksi-galaksi tersebut bergerak menjauhi Bumi.
Bagi para astronom, panjang gelombang cahaya yang dipancarkan suatu galaksi semakin panjang, semakin cepat galaksi tersebut menjauh dari kita. Semakin jauh galaksi, semakin besar pergeseran cahayanya ke arah panjang gelombang yang lebih panjang di sisi merah spektrum – sehingga semakin tinggi “pergeseran merah”.
Karena kecepatan cahaya itu terbatas, cepat, tapi tidak cepat tak terhingga, melihat sesuatu yang jauh berarti kita melihat sesuatu seperti apa di masa lalu. Dengan galaksi-galaksi jauh yang mengalami pergeseran merah tinggi, kita melihat galaksi tersebut ketika alam semesta berada dalam kondisi yang lebih muda. Jadi “pergeseran merah tinggi” mengacu pada masa-masa awal alam semesta, dan “pergeseran merah rendah” mengacu pada masa-masa akhir alam semesta.
Namun ketika para astronom mempelajari jarak-jarak ini, mereka mengetahui bahwa alam semesta tidak hanya mengembang – laju ekspansinya pun semakin cepat. Dan laju perluasan tersebut bahkan lebih cepat dari prediksi teori terkemuka, sehingga membuat kosmolog seperti saya bingung dan mencari penjelasan baru.
Energi gelap dan konstanta kosmologis
Para ilmuwan menyebut sumber percepatan ini sebagai energi gelap. Kami tidak begitu yakin apa yang menggerakkan energi gelap atau bagaimana cara kerjanya, namun menurut kami perilakunya dapat dijelaskan oleh konstanta kosmologis, yang merupakan properti ruang-waktu yang berkontribusi terhadap perluasan alam semesta.
Albert Einstein awalnya mengemukakan konstanta ini – dia menandainya dengan lambda dalam teori relativitas umum. Dengan konstanta kosmologis, seiring dengan mengembangnya alam semesta, kepadatan energi konstanta kosmologis tetap sama.
Bayangkan sebuah kotak penuh partikel. Jika volume kotak bertambah, massa jenis partikel akan berkurang karena partikel-partikel tersebut menyebar dan menempati seluruh ruang di dalam kotak. Sekarang bayangkan kotak yang sama, tetapi seiring bertambahnya volume, kepadatan partikel tetap sama.
Tampaknya tidak intuitif, bukan? Tentu saja, kepadatan energi konstanta kosmologis tidak berkurang seiring dengan mengembangnya alam semesta, namun sifat ini membantu menjelaskan percepatan alam semesta.
Model standar kosmologi
Saat ini, teori atau model standar kosmologi terkemuka disebut “Lambda CDM.” Lambda melambangkan konstanta kosmologis yang menggambarkan energi gelap, dan CDM melambangkan materi gelap dingin. Model ini menggambarkan percepatan alam semesta pada tahap-tahap akhir serta laju perluasan pada masa-masa awalnya.
Secara khusus, CDM Lambda menjelaskan pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik, yang merupakan pancaran radiasi gelombang mikro dari saat alam semesta berada dalam “keadaan panas dan padat” sekitar 300.000 tahun setelah Big Bang. Pengamatan menggunakan satelit Planck, yang mengukur latar belakang gelombang mikro kosmik, mengarahkan para ilmuwan untuk menciptakan model Lambda CDM.
Menyesuaikan model CDM Lambda dengan latar belakang gelombang mikro kosmik memungkinkan fisikawan memprediksi nilai konstanta Hubble, yang sebenarnya bukan konstanta melainkan pengukuran yang menggambarkan laju ekspansi alam semesta saat ini.
Namun model CDM Lambda tidaklah sempurna. Laju ekspansi yang telah dihitung para ilmuwan dengan mengukur jarak ke galaksi, dan laju ekspansi seperti yang dijelaskan dalam CDM Lambda menggunakan pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik, tidak sejalan. Para ahli astrofisika menyebut ketidaksepakatan ini sebagai ketegangan Hubble.
Ketegangan Hubble
Selama beberapa tahun terakhir, saya telah meneliti cara untuk menjelaskan ketegangan Hubble ini. Ketegangan ini mungkin menunjukkan bahwa model CDM Lambda tidak lengkap dan fisikawan harus memodifikasi model mereka, atau bisa juga menunjukkan bahwa sudah waktunya bagi para peneliti untuk memunculkan ide-ide baru tentang cara kerja alam semesta. Dan ide-ide baru selalu menjadi hal yang paling menarik bagi seorang fisikawan.
Salah satu cara untuk menjelaskan ketegangan Hubble adalah dengan memodifikasi model CDM Lambda dengan mengubah laju ekspansi pada pergeseran merah rendah, pada waktu-waktu akhir alam semesta. Memodifikasi model seperti ini dapat membantu fisikawan memprediksi fenomena fisik seperti apa yang mungkin menyebabkan ketegangan Hubble.
Misalnya, mungkin energi gelap bukanlah konstanta kosmologis, melainkan hasil kerja gravitasi dengan cara baru. Jika hal ini terjadi, energi gelap akan berevolusi seiring dengan perluasan alam semesta – dan latar belakang gelombang mikro kosmik, yang menunjukkan seperti apa alam semesta hanya beberapa tahun setelah penciptaannya, akan memiliki prediksi yang berbeda untuk konstanta Hubble.
Namun, penelitian terbaru tim saya menemukan bahwa fisikawan tidak dapat menjelaskan ketegangan Hubble hanya dengan mengubah laju ekspansi di alam semesta akhir – seluruh solusi ini gagal.
Mengembangkan model-model baru
Untuk mempelajari jenis solusi apa yang dapat menjelaskan ketegangan Hubble, kami mengembangkan alat statistik yang memungkinkan kami menguji kelayakan seluruh model yang mengubah laju ekspansi di alam semesta akhir. Alat statistik ini sangat fleksibel, dan kami menggunakannya untuk mencocokkan atau meniru berbagai model yang berpotensi sesuai dengan pengamatan laju ekspansi alam semesta dan mungkin menawarkan solusi terhadap ketegangan Hubble.
Model yang kami uji mencakup model energi gelap yang berevolusi, dimana energi gelap bertindak secara berbeda pada waktu berbeda di alam semesta. Kami juga menguji interaksi model energi gelap-materi gelap, di mana energi gelap berinteraksi dengan materi gelap, dan memodifikasi model gravitasi, di mana gravitasi bertindak berbeda pada waktu berbeda di alam semesta.
Namun tidak ada satupun yang dapat sepenuhnya menjelaskan ketegangan Hubble. Hasil ini menunjukkan bahwa fisikawan harus mempelajari alam semesta awal untuk memahami sumber ketegangan.
Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation, sebuah organisasi berita independen nirlaba yang menyajikan fakta dan analisis untuk membantu Anda memahami dunia kita yang kompleks.
Itu ditulis oleh: Ryan Keeley, Universitas California, Merced.
Baca selengkapnya:
Ryan Keeley tidak bekerja, menjadi konsultan, memiliki saham, atau menerima dana dari perusahaan atau organisasi mana pun yang akan mendapatkan manfaat dari artikel ini, dan tidak mengungkapkan afiliasi apa pun yang relevan di luar penunjukan akademis mereka.
