Mengenal Alam Semesta : Rumah Kita (bag-2)

Pada bagian  pertama dari tulisan ini ( http://consulttamam.blogspot.com/2011/04/mengenal-alam-semesta-rumah-kita-bag-1.html) diceriterakan tentang hal - hal seputar kosmologi. Juga di sana dibahas tentang skenario Big Bang yang menyatakan alam semesta berasal dari ledakan besar dengan kerapatan yang tinggi. Berikut lanjutannya

Dengan menggunakan persamaan metrik Friedman-Robertson-Walker (FRW) didapatkan bahwa pemuaian jari-jari alam semesta berbanding lurus dengan akar kuadratis waktu; dan suhu menurun berbanding terbalik dengan akar kuadratis waktu. Sejalan dengan mendinginnya alam semesta, maka unsur-unsurpun mulai terbentuk dan akhirnya kehidupan pun mulai eksis. Tahap-tahap pendinginan alam semesta secara ringkas dapat dikemukakan sebagai berikut:

·    10^-43 detik pertama usia alam semesta (ultra panas)

Mengapa mesti 10^-43 detik? Karena itulah usia paling muda dari alam semesta yang dapat dideteksi fenomenanya sampai sejauh ini. Era ini disebut juga era Planck (Planck epoch). Pada saat itu suhu alam semesta 10³² K yang berhubungan dengan energi        10¹⁹ GeV. Pada era ini efek gravitasi kuantum (quantum gravity) sangat berperan. Pada saat ini keempat gaya fundamental di alam diteorikan mengalami kemanunggalan disebut juga kemanunggalan super agung. Teori-teori mengenai hal ini – yang sering disebut Theory Of Every thing (TOE) – masih jauh dari kemapanan. Berbagai teori coba dikemukakan di antaranya: Supergravity, Extradimension, Superymetry dan Superstrings.

·    10^-35 detik ( 10²⁸ K ; 10¹⁵ GeV) : panas

Pada era ini gaya gravitasi sudah terpisah dari tiga gaya lainnya. Tergabungnya ketiga gaya-gaya ini (nuklir lemah, nuklir kuat dan elektromagnet) disebut kemanunggalan agung (grand unification). Pada era ini bola api telah mampu menciptakan materi dan anti materi. Teori tentang penciptaan materi – anti materi ini masih dalam pengembangan pada fisika energi tinggi (high energy physics) atau fisika zarrah.

·    10^-35 sampai 10^-9 detik (10²⁸ – 10¹⁵ K ; 10¹⁵ – 10² GeV).

Era ini disebut juga era hangat (warm epoch). Era pendinginan ini adalah suatu era di mana gaya kuat disusul gaya lemah dan gaya elektromagnet berpisah. Energi yang lebih rendah dari range ini telah dihasilkan pada eksperimen fisika energi tinggi di CERN. Simetri antara interaksi lemah dan elektromagnet akan rusak hanya pada suhu yang sangat dingin pada era ini.

Sampai sekitar 700.000 tahun setelah Big-Bang, jagad raya kita didominasi oleh radiasi (radiation dominated). Suhunya kira-kira sekitar 3000 K. Era materi pertama (matter dominated) berlangsung sesudah itu sampai kira-kira 300 juta tahun ialah era pembentukan protogalaksi dan protocluster oleh mekanisme: ketidakstabilan galaksi dan turbulensi yang berasal dari alam semesta tatkala masih awal (era ini sudah tentu masuk ke dalam era dingin). Era berikutnya adalah era keruntuhan protogalaksi untuk membentuk galaksi-galaksi seperti yang diamati dewasa ini (300 juta tahun sampai sekarang sekitar 15 milyar tahun). 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 melawannya. Waktu runtuh (collapse time) sama dengan waktu jatuh bebas dari materi di dalam galaksi yang melukiskan runtuhnya protogalaksi untuk membentuk galaksi. Model pertama terjadi jika protogalaksi adalah gas, dan model kedua terjadi jika protogalaksi adalah bintang.

Bagaimana akhir pemuaian?

Suatu pertanyaan mendasar setelah ditemukannya pemuaian alam semesta ialah: Jika saat ini alam semesta mengembang, apakah seterusnya akan mengembang atau pada suatu saat akan balik lagi dan mengerut sampai ke titik singularitas kembali (Big Crunch)?

Dari metrik FRW ditemukan suatu parameter yang akan menjawab hal itu yang disebut kelengkungan alam semesta (R). Ditemukan ada tiga kemungkinan nilai dari R tersebut yaitu positif (kelengkungan tertutup), negatif (kelengkungan terbuka) dan nol (datar). Bagaimana konsekuensi dari ketiga nilai tersebut? Jika nilai R positif, alam semesta pada suatu saat akan berhenti mengembang dan akan mengerut ke keadaan semula. Jika nilai R negatif, maka alam semesta akan mengembang selamanya. Jika nilai R = 0, maka alam semesta juga akan mengembang selamanya tetapi dengan laju pengembangan yang semakin mendekati nol.

Apa indikator yang dapat dipegang untuk mengetahui alam semesta tertutup, terbuka, atau datar? Dari persamaan-persamaan dinamis kosmologi ternyata kemungkinan itu bergantung pada massa jenis alam semesta ini. Jika massa jenis alam semesta lebih besar dari pada suatu massa jenis yang disebut massa jenis genting alam semesta (critical density), maka alam semesta akan tertutup. Jika massa alam semesta lebih kecil dari pada massa jenis gentingnya, maka alam semesta akan terbuka. Dan jika massa jenis alam semesta sama dengan massa jenis genting, maka alam semesta akan datar.

Dari pengamatan sejauh ini, menunjukkan bahwa massa jenis alam semesta ternyata lebih kecil dari pada massa jenis gentingnya. Tentunya ini mengisyaratkan bahwa alam semesta bersifat terbuka artinya alam semesta akan terus mengembang dengan suhu yang terus menurun mendekati 0 K (suhu alam semesta sekarang sekitar 2,7 K). Radiasi di alam semesta memiliki massa ekuivalen sekitar 2 % dari materi tampak (visible matter). Hasil pengukuran terhadap cluster galaksi Coma, sangat mengejutkan, mengisyaratkan bahwa ternyata jumlah materi yang tak tampak (invisible matter) 20 sampai 30 kali lebih besar dari jumlah keberadaan bintang-bintang dan awan gas. Meskipun seluruh komponen tak tampak - yang jumlahnya besar ini - diterapkan ke alam semesta secara keseluruhan ternyata massa jenis alam semesta masih saja lebih kecil dari massa jenis gentingnya sekitar 10 kali lebih kecil.

Namun kita jangan terburu-buru menganggap bahwa ini adalah hasil yang final. Dianggap terdapat suatu kehilangan massa (missing mass) di alam ini yang dianggap suatu materi buram (dark matter). Salah satu kemungkinan dari beberapa kemungkinan sebagai materi buram adalah neutrino (n). Kenyataan ditemukan neutrino-neutrino yang begitu melimpah di alam semesta. Yang menjadi pertanyaan apakah massa diam neutrino sungguh-sungguh nol- seperti pengamatan sekarang – ataukah memiliki massa tapi sangat kecil. Jika ternyata neutrino itu bermassa diam katakanlah hanya berorde 20 eV saja, maka ini sudah cukup untuk membuat alam semesta tertutup. Manakah yang sesungguhnya benar kita menunggu hasil pengamatan yang lebih  perfect. Wait and see!...

Apakah Skenario Big Bang tanpa masalah?...Nantikan pada bagian ke 3 tulisan ini sekaligus bagian terakhir....