Model Alam Semesta (Bagian 2)

Model Big Bang

Penemuan Edwin Hubble pada tahun 1929 , yang menyatakan bahwa garis spektrum cahaya dari galaksi-galaksi di luar Bima Sakti bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih besar atau mengalami geseran merah―berdasarkan Efek Dopler, merupakan sebuah penemuan yang sangat menakjubkan. Penemuan yang sebelumnya talah diprediksikan Friedman dan George Lemaître ini mempunyai konsekwensi: jika alam semesta bergerak mundur jauh ke masa lampau, maka ia tentu jauh lebih rapat daripada sekarang. Jarak antar galaksi pada saat itu pastilah nol. Maka pada tahun 1946, George Gamow dari Universitas George Washington, dengan dibantu Ralph Alpher dari Universitas Johns Hopkins dan Hans Bethe dari Universitas Cornell, menyusun hipotesis: pada mulanya seluruh isi alam semesta ini berpadu dalam tingkat kepadatan yang tidak terhingga (infinite density), lalu dengan proses dentuman besar (Big Bang) maka terciptalah alam semesta ini. Inilah ”Hipotesis Alpha-Betha-Gamma”, diambil dari nama Alpher, Bethe dan Gamow. Mereka juga memprediksikan bahwa radiasi dalam bentuk foton dari tahap dini alam semesta yang sangat panas haruslah masih berkeliaran hingga saat sekarang, namun temperaturnya telah mengalami penurunan yang drastis dan hanya menjadi beberapa derajat nol mutlak (-2730C).

Pada tahun 1964 M, James Peebles dan Robert Dicke dari Universitas Princeton memprediksi hal yang serupa, bahwa jika benar alam semesta tercipta melalui proses Big Bang, tentu sisa radiasi dentuman besar itu masih bisa diamati sampai sekarang. Dan menurut perhitungan mereka, sisa radiasi itu setara dengan suhu sekitar tiga sampai lima derajat Kelvin. Setahun kemudian, Arno Penzias dan Robert Wilson dari Bell Telephone Laboratories di New Jersey, berhasil menangkap sisa radiasi Big Bang itu dengan antena yang supersensitif dengan tanpa sengaja. Radiasi ini tersebar secara seragam di segala penjuru jagat raya pada tingkat sekitar tiga derajat Kelvin. Untuk membuktikan keberadaan radiasi ini, maka pada tahun 1989 M, NASA mengirimkan satelit Cosmic Background Explorer (COBE) ke ruang angkasa. Hanya memerlukan 8 menit bagi COBE untuk membuktikan perhitungan Penzias dan Wilson. COBE telah menemukan radiasi yang merupakan sisa dari peristiwa dentuman besar pada waktu terciptanya alam semesta di masa silam, yang disebut sebagai “Radiasi Latar Belakang Kosmis”. Radiasi ini diprakirakan dapat terlacak pada temperatur yang sangat rendah, yaitu antara -2680 C sampai -2230 C.

Sedangkan prediksi Alpher, Bethe dan Gamow mengenai tahap dini alam semesta agak kurang tepat, sebab ketika makalah mereka ditulis, penjelasan mengenai reaksi nuklir proton dan neutron belum banyak diketahui. Dan saat ini telah diadakan perhitungan berdasar pengetahuan yang lebih baik dan sekarang sangat cocok dengan hasil pengamatan.

Kejadian-kejadian yang mungkin didefinisikan oleh para ahli fisika di mulai pada 10-43 detik, yang merupakan unit waktu terkecil. Pada tahap ini disebut era Planck. Tahap pemuaian ini menunjukkan bahwa perilaku alam semesta ditentukan oleh efek kuantum, dengan temperatur lebih dari 1032 K. Dalam era Planck yaitu kurun pertama terciptanya alam semesta kelihatannya gravitasi dikuantisasi dan masih bergabung dengan gaya lainnya yang terdapat dalam alam semesta. Jadi nampaknya Cuma ada satu gaya alam dengan empat komponen. Salah satu fenomena utama kuantum mekanika pada era Planck ialah penciptaan partikel yang berpasang-pasangan.

Setelah alam semesta menempuh era Planck, maka ia memasuki era yang kedua, yang disebut era Hadron yang lamanya t = 10-43 detik sampai t = 7 x 10-5 detik. Dalam era Hadron, jika temperatur lebih dari 1.6 x 10-12 K banyak terbentuk meson dan anti meson. Nukleon (yaitu proton dan neutron) banyak terbentuk bila temperatur lebih dari 1013 K. Pada t = 10-35 detik masih ada satu gaya, tetapi pada t = 10-12 detik sudah lahir gaya electroweak, yaitu gabungan gaya elektromagnetik dan gaya lemah nuklir.

Selanjutnya, alam semesta memasuki era Lepton, yaitu suatu kurun waktu dari t = 7 x 10-5 detik (temperatur 1.6 x 1012 K) hingga t = 5 detik (temperatur 6 x 109 K).

Era keempat dari alam semesta disebut era radiasi, berlangsung dari t = 5 detik sampai t = 5 x 105 tahun (temperatur menurun dari 6 x 109 K menjadi 4 x 103 K). Dalam era ini proses radiasi masih dominan daripada pembentukan materi, masih lebih banyak photon. Dalam era radiasi ini terjadi fenomena penting sejak dari t = 10 detik sampai t = 3 min 45 detik (temperatur T = 0.9 x 109 K), yaitu proses nucleosynthesis dari unsur-unsur ringan seperti deuteriumdan helium. Ketika suhu mencapai 1010 K proton dan netron mulai mampu bergabung membentuk inti atom.

Era kelima (era materi pertama) yang berlangsung dari t = 7 x 105 sampai t = 3 x 108 tahun ialah era pembentukan protogalaxy dan protocluster oleh mekanisme: 1) ketidakstabilan gravitasi, dan 2) turbulans yang berasal dari alam semesta tatkala masih awal.

Era keenam, yaitu keruntuhan protogalaksi untuk membentuk galaksi galaksi seperti yang diamati dewasa ini (t = 3 x 108 tahun sampai sekarang). Pembentukan galaksi dari protogalaksi didasarkan atas peristiwa runtuhnya protogalaksi. Dalam peristiwa ini materi dari protogalaksi (bintang bintang atau gas) bergerak dengan kecepatan tinggi menuju ke suatu pusat, tanpa ada gaya yang melawannnya. “Waktu runtuh” sama dengan waktu jatuh bebas dari materi di dalam galaksi. Jadi ada dua skenario yang melukiskan runtuhnya protogalaksi untuk membentuk galaksi. Skenario pertama terjadi jika protogalaksi adalah gas, skenario kedua terjadi jika protogalaksi adalah bintang.

Dengan demikian, ada enam era di mana alam semesta terbentuk, dimulai dari ledakan itu terjadi hingga sekarang yang terus memuai. Lalu kapankah kira kira peristiwa dentuman besar itu terjadi? Berapakah usia alam semesta sekarang ini? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu berkenalan dengan apa yang disebut Tetapan Hubble (H), yaitu kecepatan galaksi galaksi saling menjauh, yang kini disepakati angkanya oleh para ilmuwan: 54 kilometer per detik per megaparsec. Satu megaparsec adalah 3,26 juta tahun cahaya. Artinya galaksi galaksi dengan jarak 3,26 juta tahun cahaya saling menjauh dengan kecepatan 54 km/detik. Oleh karena kecepatan cahaya adalah 300.000 km/detik, dan waktu adalah jarak dibagi kecepatan (jika Anda mengendarai mobil sejauh 300 km dengan kecepatan 60 km/jam, waktu yang Anda perlukan adalah 5 jam), maka usia alam semesta sekarang adalah 3,26 x 106 x 3 x 105 dibagi 54, yaitu 1,81 x 1010 tahun atau sekitar 18 milyar tahun.

Pada artikel selanjutnya akan dibahas keenam era pembentukan alam semesta tersebut. Sampai jumpa di postingan berikutnya.